Текст
ЭНЕРГОАКТИВНЫЕ ЗДАНИЯ
ЭНЕРГОАКТИВНЫЕ
ЗДАНИЯ
ENERGY ACTIVE
BUILDINGS
EDITED BY E.V.SARNATSKY AND N.P.SELIVANOV
Moscow
Stroyizdat
1988
ЭНЕРГОАКТИВНЫЕ
ЗДАНИЯ
ПОД РЕДАКЦИЕЙ Э.В.САРНАЦКОГО И Н.П. СЕЛ ИВАНОВА
Москва
Стройиздат
1988
УДК 721.011.1:697.7
Энергоактивныездания/Н. П. Селиванов, А. И. Ме-
луа, С. В. Зоколей и др.; Под ред. Э. В. Сарнацкого
и Н. П. Селиванова.— М.: Стройиздат, 1988.—
376 с.: ил.
В издании, подготовленном авторами СССР, НРБ, Австралии, США, рас
смотрены вопросы проектирования, строительства и эксплуатации зданий, конст-
рукции которых совмещены с устройствами улавливания, преобразования и ис-
пользования энергии возобновляемых источников (солнечной радиации, гидро-
и геотермальной энергии, биогаза) с целью экономии энергии традиционных источ-
ников. Сформулированы общие принципы н архитектурно-строительные приемы
разработки энергоактивных зданий. Широко освещен опыт строительства и эксплуа-
тации эиергоактивных зданий в СССР, НРБ. Австралии. США и других странах.
Для архитекторов и проектировщиков.
Табл. 36, рис. 269, список лит.: 128 назв.
Energy Active Buildings/N. Р. Selivanov, S. V. Szoko-
lay, A. I. Melua, and others; Edited by E. V. Sarnatsky
and N. P. Selivanov. — Moscow, Stroyizdat, 1987.
In the work the researchers from the USSR, Bulgaria, Australia, the USA con-
sidered the problems of designing, building and maintenance of structures^ encorpora-
ting special arrangements for collecting, convertng and utilization of restored energy
sources (solar radiation, hydro- and geothermal energy, biological gas) intended to
save the energy of conventional sources of energy. They preposed the new principles
and architectural means for designing power intensive buildings. The experience of
building and maintenance of energy active buildings in the USSR. Bulgaria. Australia,
the USA and other countries is reviewed.
For architects and designers.
Рекомендовано к изданию секцией ГКНТ «Использование сол-
нечной энергии для тепло-холодоснабжения» и секцией теплоснаб-
жения научно-технического совета ЦНИИЭП инженерного обору-
дования.
Рецензенты — канд. архитектуры И. И. Анисимова и канд. ар-
хитектуры С. И. Крестьяшин.
Авторы Н. П. Селиванов, А. И. Мелуа (СССР), С. В. Зоколей
(Австралия), Е. С. Панцхава, И. В. Баум, В. Г. Никифоров,
В. Н. Потапов, С. В. Рябиков, Д. С. Стребков, В. Н. Богословский,
С. Г. Булкин, С. И. Смирнов, Б. В. Тарнижевский. В. В. Захаров,
Е. С. Абдрахманов, С. А. Ващенко, О. А. Курбатов, Н. И. Маслен-
ников, С. И. Вайнштейн, О. С. Попель, В. Г. Гершкович, Г. А. Хор-
хот, Ю. М. Масин, И. В. Руднева, В. В. Козлов (СССР), В. Иванов,
М. Балабанов, К- Спасов (НРБ), Д. Ватсон (США), Р. С. Грилей,
Р. П. Оулетт, П. Н. Черемисинов (США), В. Н. Спиров (СССР).
4902010000—629
047(01)—88
КБ—3—28—88
© Стройиздат, 1988
ВВЕДЕНИЕ
Влияние энергетики на экономику можно смело отнести к числу определяющих факторов совре-
менного общественного развития. Энергетическая проблема представляет собой одну из ключевых
технических, экономических и социальных проблем, стоящих сейчас перед человечеством. Обеспече-
ние потребностей в энергии влечет за собой необходимость глубокой, динамичной перестройки как
самого топливно-энергетического хозяйства, так и структуры и способов потребления энергии с точки
зрения рационализации и всемерной экономии в сфере энергопотребления, вовлечения в энерго-
баланс новых и возобновляемых источников энергии, строительства и реконструкции энергоэкономич-
ных, а на последующих этапах — энергоактивных зданий.
Вся эта огромная работа ведется с учетом ограничивающих факторов экологического, техноло-
гического, ресурсного (включая прежде всего трудовые ресурсы) и социального характера. Напри-
мер, архитектурно-планировочные проблемы необходимо решать в условиях грандиозной перестрой-
ки топливно-энергетического комплекса и сферы потребления энергии.
Обеспеченность энергетическими ресурсами в нашей стране за последние годы требует учета
сложного экономического фактора: старые, географически удобно расположенные и дающие деше-
вое топливо месторождения истощаются, новые месторождения на громадных пространствах Во-
стока и Севера страны требуют новой дорогостоящей транспортной инфраструктуры, создания го-
родов н поселков, обустройства людей в суровых климатических условиях, специальной техники
и оборудования — в конечном счете увеличения удельных затрат на прирост добычи топлива в 3
и более раза по сравнению с 70-ми годами.
Энергетическая программа СССР на длительную перспективу предусматривает всемерную эко-
номию топлива и энергии на базе ускоренного научно-технического прогресса и обеспечение таким
образом значительного снижения удельной энергоемкости национального дохода. С точки зрения на-
роднохозяйственных затрат меры по экономии в расчете на 1 т условного топлива в 2—3 раза эффек-
тивнее (дешевле), чем добыча соответствующего количества дополнительного топлива.
Один из путей замещения органического топлива — развитие атомной энергетики — обеспечи-
вает народное хозяйство электроэнергией и теплотой при централизованном теплоснабжении в по-
стоянно возрастающих объемах. Вовлечение атомной энергии в топливно-энергетический баланс
страны сопоставимо по энергетическому вкладу с приростом добычи нефти. Но развитие атомной
энергетики требует времени, значительной концентрации средств и ресурсов и не освобождает нас от
необходимости и целесообразности экономного расходования энергии. Энергетическая программа
СССР предусматривает на рубеже XX и XXI вв. замещение (экономию) органических топлив за счет
энергии АЭС и ГЭС в объеме 400—500 млн. т условного топлива, а экономию топлива за счет совер-
шенствования производства, транспорта и потребления энергии, производимой традиционными спо-
собами, — в объеме 540—580 млн. т условного топлива.
Дальнейшее развитие централизованного теплоснабжения сможет обеспечить нам экономию
50—60 млн. т условного топлива, а совершенствование норм и нормативов расхода топлива и энер-
гии на основе внедрения новых технологических процессов и энергосберегающих технологий должно
дать такую же, если не большую, экономию.
В области жилищно-коммунального хозяйства утвержденная Госпланом СССР и ГКНТ Госу-
дарственная программа по энергосбережению предусматривает реальные объемы экономии топлива
и энергии в 1990 г. в объеме до 35 млн. т условного топлива, а к 2000 г. — в несколько раз больше.
Таким образом, в действующем и строящемся фонде жилых, общественных и коммунальных зданий
имеются большие резервы экономии энергии.
5
Оценки и прогнозы относительных объемов потребления энергии по секторам народного хозяйст-
ва в нашей стране и большинстве стран региона Европейской экономической комиссии (ЕЭК) ООН
совпадают. Так, по данным ЕЭК ООН на здания жилищного сектора и сферы обслуживания прихо-
дится в странах региона ЕЭК около 35% всего национального энергопотребления. Эксперты ЕЭК
ООН считают, что «...в строительном секторе энергия потребляется при производстве строительных
материалов, их последующей перевозке, в самом процессе строительства, при эксплуатации здания
в течение его срока службы и во время его возможного сноса. Сравнение этих видов потребления
энергии показывает, что, как правило, больше всего энергии требуется при эксплуатации здания, что
составляет, возможно, свыше 90% всего потребления энергии. Энергия, используемая для произ-
водства материалов, составляет около 6%, а для перевозки и на строительство здания — 1—2%»'.
В рамках цитируемого документа ЕЭК ООН предложена методика «Комплексного проектирования
зданий с уделением особого внимания требованиям экономии энергии», подготовленная Р. Ван Баар-
селем (Нидерланды) и автором этих строк.
Таким образом, с точки зрения энергетики главное внимание при проектировании здания следует
уделять его эксплуатационным характеристикам. Основные расходы энергии в эксплуатируемых зда-
ниях связаны с обеспечением кондиционированного микроклимата, т. е. с возмещением теплопотерь
здания (или охлаждением здания или его отдельных помещений), с горячим и холодным водоснаб-
жением и водоотведением, освещением, приготовлением пищи, работой лифтов в многоэтажных до-
мах, использованием электрических бытовых машин, приборов и средств технической коммуникации.
Задача состоит в том, чтобы не снижая качественные показатели и уровни современных стандартов
жилища, минимизировать бесполезные потери энергии на эти цели, повышая показатели термиче-
ского сопротивления ограждающих конструкций и коэффициенты полезного действия энергопо-
требляющего оборудования и приборов. Все это имеет достаточно четкие граничные условия по капи-
таловложениям, по показателям экономической и социальной целесообразности. На сегодня практи-
чески любая задача по энергосбережению разрешима инженерными средствами, однако затраты ма-
териалов и труда на строительство и последующую эксплуатацию требуют оптимизации. Так назы-
ваемые «дома-термосы», или «суперизолированные дома», возведенные в экспериментальном поряд-
ке в Советском Союзе и других странах, обеспечивают сведение теплопотерь к минимуму, однако
затраты иа теплозащиту таких зданий не окупаются по современным экономическим критериям.
Вместе с тем затраты на мероприятия по энергосбережению должны соотноситься не со средни-
ми экономическими критериями для страны или региона, а с соответствующими критериями для
конкретных районов строительства. Мировые реальные цены на топливо и энергию в какой-либо
временной отрезок могут подвергаться конъюнктурным изменениям, однако исчерпаемость, конеч-
ность запасов органических топлив требует уже сегодня детальной проработки концепций конкрет-
ных технических решений по энергосбережению при потреблении энергии и экспериментальной про-
верки этих решений на практике с целью дальнейшего широкого тиражирования.
Исходя из этого и рассматривая возможный сегодня и вероятный в будущем вклад новых и во-
зобновляемых источников энергии (НВИЭ) в топливно-энергетический баланс здания, необходимо
рассматривать это здание как систему, взаимосвязанную с энергетической ситуацией в окружающей
здание среде и активно воспринимающую рассеянную низкопотенциальную энергию с трансформа-
цией ее до требуемого потенциала. Но поскольку вклад возобновляемых источников энергии недешев,
а нередко и ограничен по различным причинам, здание должно иметь минимальные потери энергии
в окружающую среду. Добиваясь этого конструктивными мерами, следует учитывать взаимосвязь
здания с окружающим пространством — архитектуру, традиции, экологию... Все это требует систем-
ного подхода, достаточной информации о научных исследованиях, мировом и отечественном опыте.
Вероятностные оценки максималистских и пессимистических воззрений на идею, практические
результаты и возможности использования НВИЭ укладываются сегодня в прокрустово ложе эконо-
мических требований и технологических ограничений. Для определения судьбы и путей использова-
ния НВИЭ следует начинать с оценки этих источников. Укажем здесь некоторые особенности НВИЭ,
которые если не препятствуют, то осложняют их широкое применение.
Для большинства возобновляемых источников энергии (за исключением теплотехнического
использования геотермальных вод, биогаза и солнечного охлаждения) характерно несовпадение по
1 ЕЭК ООН. Комитет по жилищному вопросу, строительству и градостроительству. Политика
экономии энергии в зданиях. — Документ Рабочей группы по строительству от 17 октября 1984 г.
6
времени возможности получения энергии и потребности в ней для энергообеспечения объектов. Это
требует решения проблемы аккумулирования теплоты или другого вида энергии. Можно рекомендо-
вать читателям, интересующимся данной проблемой, обратиться к материалам Первой встречи Рабо-
чей группы по аккумулированию тепла, проходившей в Москве 12—15 февраля 1985 г. Встреча была
оргаиизоваиа Институтом высоких температур Академии наук СССР под эгидой ЮНЕСКО.
Использование солнечной энергии рассматривается сегодня как наиболее технологически до-
ступный и экономически целесообразный вид возобновляемой энергии. Хотелось бы обратить внима-
ние читателей на то, что применение солнечной энергии для теплоснабжения было бы неверно огра-
ничивать районами с теплым климатом и достаточными с общепринятых позиций числом дней сол-
нечного сияния и величиной солнечной радиации.
Ленинградским зональным научно-исследовательским и проектным институтом типового и
экспериментального проектирования жилых и общественных зданий разработай, а Госгражданстро-
ем в 1985 г. утвержден экспериментальный проект малоэтажных жилых домов усадебной застройки
с гелиосистемами отопления и горячего водоснабжения для строительства в Якутской АССР (авторы
Н. И. Масленников, Е. В. Плюхин). Прежде всего следует обратить внимание на то. что проекты пре-
дусмотрены для строительства на вечномерзлых грунтах по I принципу в климатическом подрайоне
1А при расчетной температуре наружного воздуха —55° С. Экспериментальной проверке запроекти-
рованных трехкомнатных домов со стенами из крупных панелей и кирпича подвергались комбиниро-
ванные системы отопления здания с использованием пассивных гелиосистем в сочетании с тради-
ционными. В проекте применены архитектурно-планировочные решения с целью экономии энергопо-
требления зданий, определены места элементов гелиосистем в объемно-планировочной структуре
дома, взаимное расположение и ориентация по странам света функциональных зон жилища, инте-
грированы аккумулирующие элементы и конструкция дома. Ожидаемая расчетная экономия теплоты
составляет 20% на горячее водоснабжение и 20% на отопление.
Предложены варианты устройства основания дома на теплоизолирующей подсыпке и на сваях,
а также блокировки гелиодомов с парниками и надворными постройками. Необходимость южной
ориентации средств сбора солнечной энергии определяет строгие условия ориентации дома на при-
усадебном участке; уменьшены площади ограждающих конструкций за счет улучшения компактно-
сти и увеличена площадь южного фасада. Парники выполняют роль буферной тепловой зоны.
Жилая зона (тяготение к южному фасаду) защищена от неблагоприятных воздействий с севера
подсобно-хозяйственными помещениями. Окна размещены таким образом (ночная зона — запад,
дневная — восток), что облучение прямой солнечной радиацией происходит непосредственно перед
режимом функционирования помещений.
Теплоаккумулирующие стены устроены из кирпича толщиной 640 мм с двойным остеклением.
Теплоноситель для четырех гелиопанелей — пропиленгликоль (применяется для непосредственного
замораживания пищевых продуктов, не обладает запахом, коррозионно-инертен, температура за-
мерзания равна —71° С, что позволяет использовать гелиосистему с февраля по сентябрь; система
водоснабжения—двух контурная. Тепловой дублер — котел КЧМ-2 со скоростным водоподогре-
вателем.
Этим же институтом разработаны архитектурно-конструктивные принципы сочетания различных
сводчатых, складчатых, мембранных, вантовых конструкций, стержневых структур и пластинчатых
сводов покрытий зданий различного назначения с энергоактивными элементами, играющими значи-
тельную, а иногда н определяющую роль в обеспечении микроклимата здания, в облегчении условий
эксплуатации самого покрытия. Предложенный принцип работы энергоактивиых покрытий зданий
технически совершенен и достаточно прост, при этом может обеспечиваться как подогрев здания пу-
тем подачи в помещение нагретого в прослойке покрытия воздуха, так и охлаждение его за счет
теплосъема с внутренней поверхности циркулирующим воздухом.
Давно известен и широко применяется в нашей стране принцип обеспечения энергоактивностн
зданий, особенно протяженных, при так называемом пофасадном автоматическом регулировании
систем отопления, когда освещаемый солнцем фасад использует в ясный зимний день солнечный
энергетический вклад (расход теплоносителя в системе южного фасада снижается до нулевых зна-
чений).
Очень интересны с архитектурной, экономической и энергетической точек зрения приемы «зеле-
ной архитектуры», т. е. защиты здания или группы зданий деревьями от господствующих неблаго-
приятных ветров и жесткого прямого солнечного излучения. Можно привести массу примеров, когда
7
увитые плющом, диким или культурным виноградом и другими вьющимися растениями стены домов,
лоджии и балконы создают необходимую «мягкость» микроклимата внутренних и летних помещений
жилых домов, а в целом — зрительно и экологически благоприятную среду обитания человека. Ре-
шение принципов солнцезащиты зданий в целях обеспечения нормируемого микроклимата, напри-
мер, использование внутренних двориков односемейных жилищ с керамическими ограждениями или
декоративными элементами зданий, заполненными испаряющейся водой (работы ТашЗНИИЭП), —
все это целевое введение энергоактивных элементов в строящиеся и эксплуатируемые здания.
Такие приемы планировки в сочетании с зеленой архитектурой, устройством арычных систем, брыз-
гальных бассейнов и фонтанов, проветриванием застроенных пространств создают микроклимат
небольших жилых образований.
Простым, широко известным и недорогим, ио весьма эффективным способом снижения солнеч-
ной радиации в жаркое время года является устройство различного типа экранирующих элементов,
штор, жалюзи и ставеи на окнах, позволяющих до 50% снижать расходы энергии на кондициониро-
вание воздуха. Применение так называемых суперокон с несколькими слоями остекления, с зеркаль-
ными или теплоотражающнми стеклами, которые выходят на южную сторону и в полтора раза пре-
вышают обычные окна по площади (увеличение коэффициента естественного освещения), позволяет
получить ощутимый солнечный вклад при ясной осенней или зимней погоде. От возможного пере-
грева зданий летом предохраняют теневые навесы, оконные козырьки или крупные деревья лист-
венных пород, сбрасывающие листву зимой.
Принятие эффективных мер по экономии энергии в зданиях — многоцелевая задача, сочетаемая
с поисками способов привлечения и использования альтернативных энергоисточников. Мировая
практика показывает достаточную эффективность и перспективность строительства заглубленных
жилищ и зданий другого назначения. Реакция людей на такого рода решения весьма неоднозначна:
ранее было принято считать, что складские, коммунальные, коммерческие, энергетические и про-
мышленные объекты и транспортные магистрали могут быть полностью или частично заглубленны-
ми, а расположение жилища требует непременно дневной поверхности. Специалисты исходят из того,
что рельеф или перемещенные и перераспределенные массы и слои грунта могут служить хорошими
барьерами, естественной или искусственно создаваемой защитой от ветра, холода, осадков, излишне-
го солнечного освещения и нежелательной инфильтрации, излишних теплопотерь. Правильная
ориентация заглубленного жилища помимо защиты его от неблагоприятных погодных факторов мо-
жет обеспечить его дополнительной энергией за счет использования возобновляемых источников
и позволит сохранить хорошую коммуникационную и зрительную связь с природой.
Специалистами разработан ряд нетрадиционных решений по жизнеобеспечению в таких зда-
ниях. В частности, для освещения заглубленных зданий (как и зданий обычного типа с широким
корпусом) можно применять комбинированную систему, включающую комплектные осветительные
устройства со щелевыми или плоскими световодами. На кровле здания устанавливается солнечный
светоприемник с концентратором, через шахту свет передается в систему цилиндрических или плоских
световодов, выполненных из полиэтилентерефталатной пленки или алюминия, внутренняя поверх-
ность которых за исключением светопропускающих участков или щелей покрывается зеркально от-
ражающим слоем. В качестве дублеров источников света могут быть применены зеркальные метал-
логалогенные лампы-светильники и лампы-фары, располагаемые в шахте или на концах световодов.
Помимо экономии металла, затрат на электроэнергию и обслуживание осветительных устройств
и пускорегулирующую арматуру использование цилиндрических или плоских световодов обеспечи-
вает равномерную освещенность помещения, возможность создания зрительного светового эффекта
контакта с окружающей средой.
Традиционно широко применяется солнечная энергия в различного рода теплицах, парниках
и лимонариях, сельскохозяйственных производственных помещениях. Здесь улавливаемая и концент-
рируемая теплота солнечного излучения непосредственно используется в технологии выращивания
сельскохозяйственных культур, для сушки сельскохозяйственной продукции, выращивания и пере-
работки хлореллы на корм скоту, опреснения воды, обеспечения горячей водой и кондиционирования
воздуха для животноводческих помещений. В Грузии, Узбекистане и Таджикистане работают и соз-
даются новые установки с использованием солнечной энергии и теплоты морской воды для сушки ви-
нограда, плодов и чая, активного вентилирования кормовых трав, гелиосушильные установки для
каракулевых смушек, гелиолимонарии, овощехранилища с гелиохолодоснабжением. В Ростовской
области и ряде других мест созданы и эксплуатируются гелиоводоиагревательные установки для
8
доильных площадок крупного рогатого скота. В той же Ростовской области институт ВНИИТИМЭСХ
проводит режимные исследования системы гелиотеплохолодоснабжения свинарника-маточника.
Научно-производственным объединением «Солнце» Академии наук Туркменской ССР впервые
в отечественной практике построен энергетически автономный овцеводческий гелиокомплекс, орга-
низовано на базе гелиотехнологии промышленное производство вещества хлореллы.
Научный и практический интерес представляет возможность использования солнечной энергии
в технологии бетона, особенно для ускорения его твердения, вместо традиционного пропаривания
изделий. Это позволяет сократить цикл пропаривания, увеличить оборачиваемость форм, получить
бетон высокого качества. На 1 м3 бетона экономится 70—100 кг условного топлива, снижаются рас-
ход воды до 0,5 т и себестоимость изделия на 3—6 руб. В настоящее время эксплуатируются про-
мышленные гелиополигоны на Ташкентском заводе ЖБИ № 2 Минстроя Узбекской ССР, экспери-
ментальном заводе железобетонных изделий Минсельстроя Узбекской ССР, Чиназском комбинате
строительных материалов Главсредазирсовхозстроя и на предприятиях Узколхозстроя. Ежегодно
выпускается более 100 тыс. кубометров сборных железобетонных изделий по гелиотехиологии.
Весьма перспективным оказалось создание комбинированных солнечно-топливиых котельных.
Здесь два пути — создание новых, в основном блок-модульных, максимальной заводской готовности
солнечно-топливных котельных и реконструкция действующих котельных на органическом топливе
с введением в их технологическую схему гелиоустановок, как это предусмотрено, например, в котель-
ной одного из кварталов Ашхабада или в проектируемой районной солнечно-топливной котельной
в Алуште. В одном из кварталов Ашхабада по проекту ЦНИИЭП инженерного оборудования рекон-
струирована существующая котельная с переводом ее в гелиотопливный режим. Установка солнеч-
ных коллекторов с баками-аккумуляторами обеспечивает покрытие нагрузок горячего водоснабже-
ния в летний и переходный периоды и подпитку тепловой сети за счет использования солнечной энер-
гии. При этом достигается экономия топлива в размере 120 т условного топлива в год. Технико-эконо-
мическая оценка предложенного решения показала, что удельные капитальные вложения, связанные
с устройством солнечной установки, находятся в прямой зависимости от стоимости 1 м2 солнечного
коллектора и вида замещаемого топлива. Госстроем Туркменской ССР определены для строительст-
ва в Туркмении четыре гелиотопливных котельных.
Блок-модульиая автоматизированная котельная установка теплопроизводительностью
3,2 Гкал/ч на жидком топливе эксплуатируется в колхозе им. Калинина Крымской области. Она ра-
ботает вместе с гелиоустановкой, позволяющей экономить до 35% жидкого топлива и полностью
обеспечивать горячей водой потребности коммунального хозяйства колхоза. Установка имеет 600
плоских солнечных коллекторов общей площадью 480 м2, ориентированных под наиболее выгодным
углом к солнцу, бак-аккумулятор, блок управления и циркуляционную систему. Общая площадь,
занимаемая гелиоустановкой, составляет 1200 м2.
Сюда следует добавить производимые промышленностью строительных материалов системы
поквартирного водяного отопления с гелиоприставками для односемейных домов, комплектные
гелиоустановки для горячего водоснабжения для сельских усадебных и садовых домиков, производ-
ство которых организуется на ряде заводов Минстройдормаша и других министерств.
Перспективным для энергосбережения является устройство на кровлях промышленных, энер-
гетических и коммунальных зданий различного рода теплиц с использованием вторичных энерго-
ресурсов в сочетании с солнечной энергией. Ряд промышленных и коммунальных предприятий
Москвы, Ленинграда, Тулы, Алма-Аты и других городов используют покрытия зданий для устрой-
ства таких теплиц, а автозавод им. Ленинского комсомола планирует устройство теплиц на кровле
зданий площадью 13 тыс. м2. Принципиальные основы устройства теплиц на кровлях зданий раз-
работаны проф. И. Ф. Ливчаком, председателем секции Научно-технического совета Госстроя СССР.
Указанное направление представляет собой только одно из возможных или уже используемых
энергоэффективных направлений. В основном здесь речь идет об одиночном здании, в котором эф-
фективно используется один из возобновляющихся источников энергии.
Системный подход к проблеме ставит задачу шире — для комплекса зданий, какого-то поселе-
ния, района или целого города комплексно используются традиционные источники энергии, вторич-
ные разнопотенциальные энергоресурсы, всевозможные возобновляемые источники энергии и рас-
сеянная в природе низкопотенциальная теплота. Здесь одними из предпосылок энергоснабжения
являются минимизация бесполезных энергетических потерь и принятие оптимизированных норм и
стандартов энергопотребления. В этом случае примат энергетических целей повлияет на плаии-
9
ровку данного поселка или жилого образования, а система энергообеспечения органически вклю-
чит все возможные в данном конкретном случае приемы и способы экономии энергии и получение ее
с помощью энергоактивных зданий или их элементов, сочетающихся с генераторами теплоты и дру-
гих видов энергии на традиционных и возобновляемых энергоресурсах. Вполне вероятен вариант
образования избыточной энергии, тем или иным способом передаваемой в энергосистему или за-
пасаемой.
Интересны в этом отношении работы Киевского политехнического института, проводимые под
руководством проф. Г. И. Денисенко *. Системные научные исследования, в которые наряду с круп-
ными учеными вовлечены студенты и аспиранты одного из крупнейших вузов страны, позволили
не только продвинуть вперед современные представления об интегрированном использовании
возобновляемых энергоисточников и энергоэффективных технологий, создать методическую и рас-
четную основу конструирования и проектирования энергоактивных зданий и поселков-энергокомп-
лексов, но и дали реальные и достаточно бесспорные данные по эксплуатации опытно-промышлен-
ной установки (полигона) на возобновляемых источниках. Энергокомплекс (полигон «Десна»
в Черниговской обл.) состоит из нескольких зданий, ветроэнергоустановок, гелиотеплицы, энерге-
тической лаборатории — автономного жилого дома, круглогодично обеспечиваемого энергией за
счет использования теплоты воды, солнца и ветра. Здесь применены термосифонные солнечные кол-
лекторы, выносные солнечные коллекторы с различными концентраторами солнечной энергии,
батарея солнечных фотопреобразователей и две ветроустановки, два тепловых насоса (компрес-
сионный и полупроводниковый).
Полигон функционирует в течение ряда лет, исследования в натурных условиях позволили сде-
лать ряд ценных научных и практических выводов, которые легли в основу реального проектирова-
ния в Киевской области и на Черноморском побережье УССР объектов отдыха и сельскохозяйст-
венных поселков с интегрированными системами энергообеспечения. Следует обратить внимание
на то, что «энергетический максимализм» построенного и проектируемых комплексов сочетается
в данном случае еще и с «экологическим максимализмом» и предусматривает решение ряда вопро-
сов жизнеобеспечения объектов — получение пресной воды, полив сельхозугодий, удовлетворение
нужд тепличного хозяйства, что намного расширяет первоначально поставленную задачу.
В Скадовском районе Херсонской области начинается строительство комплексного энергетиче-
ского узла на базе студенческого пансионата «Маяк» Киевского политехнического института. По-
ставлена задача автономного энергообеспечения конкретных объектов при комплексном использо-
вании возобновляемых источников энергии — солнца, ветра, теплоты морской воды — и отработки
в натурных условиях новых технологических решений. На этой основе должны быть разработаны
практические рекомендации по использованию энергетических агрегатов и энергоактивных конст-
рукций, а также методика и принципы технико-экономического обоснования комплексного исполь-
зования энергии возобновляемых источников в народном хозяйстве.
Энергоузел включает в себя выполненные в модульной компоновке теплонасосную установку
мегаваттной мощности, фотоэлектрическую станцию и ветроэнергетическую установку киловатт-
ного класса мощности. В энергокомплексе предусмотрена станция утилизации морской воды произ-
водительностью 25 м3/ч с опреснительными установками трех типов — термической, вакуумной
и с использованием обратного осмоса. Предусмотрено получение минеральных удобрений и извле-
чение редких металлов при опреснении морской воды. Решение этих побочных задач резко улуч-
шает экономические показатели энергокомплекса.
На практике уже сейчас решается ряд крупномасштабных задач создания интегрированных
систем использования различных источников энергии. Разработанная Белорусским отделением
ВНИПИэнергопрома и утвержденная Минэнерго СССР схема теплоснабжения Большой Ялты
будет воплощена в жизнь с комбинированным использованием солнечной энергии, теплоты мор-
ской воды (тепловые насосы), вторичных энергоресурсов и источников теплоты на органическом
топливе. Приоритетная задача этого решения — максимальная экологическая чистота этого уди-
вительного уголка Крыма, всесоюзной здравницы.
Следует отметить, что для системных и автономных решений по максимальному использованию
вторичных энергоресурсов и возобновляемых энергоисточников важно решить проблему надежно-
сти. Здесь имеется в виду не только механическая или иная какая-либо подобная надежность уста-
1 Денисенко Г. И. Возобновляемые источники энергии. — Киев: Вища школа, 1983.
10
новки или устройства, но и надежность энергообеспечения в «энергетическое межсезонье», когда
не хватает солнечной энергии (зимой, осенью или в пасмурную погоду), при безветрии и т.п.
Существуют два способа решения проблемы: устройство дублирующего генератора энергии или
подключение к энергосистеме и аккумулирование энергии. Применение обоих способов почти
в равной мере отрицательно сказывается на экономической эффективности использования возобнов-
ляемых источников энергии. Что касается аккумулирования теплоты или электроэнергии, то его
применение требует решения сложных технических проблем, причем эти решения может дать как
фундаментальная, так и прикладная наука.
И все-таки в настоящее время предпочитают создавать не системы, а полностью или частично
энергоавтономные отдельные здания — сельские жилые дома и производственные здания, санато-
рии, дома отдыха и пансионаты. Устройства пассивного солнечного отопления и сезонного солнеч-
ного горячего водоснабжения, использование вторичных энергоресурсов и устройство солнцезащиты
зданий являются реалистическими и экономически целесообразными. Вместе с тем с точки зрения
достижения максимального энергетического эффекта технические решения зачастую весьма доро-
гостоящи, громоздки, ресурсоемки, сложны в эксплуатации. Тем не менее такие здания проекти-
руются и строятся, их авторы на основе эксплуатационных испытаний доказывают право таких зда-
ний на жизнь, на широкое тиражирование.
Интересен проект экспериментального энергетически и экологически автономного жилого
комплекса-лаборатории, предназначенного для строительства в совхозе «Огре» пос. Юмправа Лат-
вийской ССР. Проект разработан авторским коллективом Московского архитектурного института
и Университета дружбы народов им. П. Лумумбы при участии института Проектпромвентиляция.
В проекте предусмотрено:
максимально возможное использование энергии Солнца, бногаза и теплонасосных установок
при максимальном снижении теплопотерь и повышении термического сопротивления ограждающих
конструкций;
создание автономной системы канализации и полной утилизации органических отходов за счет
создания биореактора, в котором образуется и собирается метан, а очищенная вода отстаивается,
аэрируется и поступает в систему подземного орошения теплицы-утилизатора;
объемно-планировочное решение дома-комплекса, при котором обеспечивается максимальный
уровень комфортности проживания, а все помещения — жилые, вспомогательные, технологические,
хозяйственные, надворные постройки — объединены в едином объеме дома и совместно с вегета-
ционными и животноводческими помещениями собраны в единый блок. Предусмотрены утилиза-
ция теплоты канализационных стоков и вытяжного воздуха, воздушные солнечные коллекторы,
использование метана, применение теплового аккумулятора с использованием теплоты фазовых
переходов, тепловых насосов, установка теплового дублера — котла на твердом топливе.
Проект рассмотрен и одобрен секцией «Использование солнечной энергии для тепло- и холодо-
снабжения» Научного совета ГКНТ по возобновляемым источникам энергии. Рекомендовано
строительство двух таких домов в совхозе «Огре» для натурных экспериментальных исследований.
Однако этот, как и ряд других проведенных или намеченных экспериментов, в которых ставятся
задачи достижения максимальной энергетической эффективности, приходится проводить при таких
расчетных экономических показателях, когда срок окупаемости объекта или установки превышает
нормативный даже при зачете в качестве стоимости замыкающих затрат на топливо и энергию.
В ряде случаев скептически настроенные специалисты считают, что расчетный по действующим мето-
дикам срок окупаемости систем с нетрадиционными технологиями может превышать жизненный
цикл этих систем. Действующая методика расчета экономической эффективности не учитывает
в полной мере сопоставимых затрат на мероприятия по охране окружающей среды и ряд других
факторов. Словом, к оценке нетрадиционных источников энергии мы подходим с традиционными
мерками, что, вероятно, должно претерпеть изменение в ближайшем будущем.
Издание книги с участием советских и зарубежных авторов — определенный этап, первый итог
короткой по времени, но интенсивной н результативной работы и международного научно-техниче-
ского сотрудничества в области использования возобновляемых источников энергии в строительстве
и реконструкции зданий. Составители книги исходили из необходимости предложить широкому кругу
специалистов концептуальный подход к практикуемому сегодня и вероятному в недалеком будущем
использованию разнообразных видов возобновляемых источников энергии и новых энерготехно-
логий. Э. В. Сарнсщкий
11
1. ЭФФЕКТИВНЫЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
1.1. Солнечная энергия
Н. П. Селиванов
1.1.1. Общие сведения о солнце как источнике изучения и свойствах энер-
гетического поля солнечной радиации. Центральное светило нашей планетной
системы — Солнце — является самой близкой к нам звездой и как источник
излучения представляет собой раскаленный газовый шар со средним видимым
угловым диаметром, равным 31'59,3". Его излучательная способность характе-
ризуется тремя звездными температурами [1,2]: эффективной (энергетической)
7'э=5784 К, цветовой температурой Гцв=7140 К и температурой излучения 7е =
= 5036 К (численные значения ТаБ и Те приведены соответственно для видимого
Х=0,4—0,7 мкм и инфракрасного Х=11,1 мкм излучения). Полный спектр
электромагнитных излучений солнца очень широк (рис. 1.1.) [2]. Для тепло-
технических задач строительной гелиотехники применительно к объектам, рас-
положенным на поверхности Земли (поверхность материков, океана), практи-
ческий интерес представляет относительно небольшая часть солнечного спект-
ра, а именно, селективные участки ультрафиолетового (УФ) спектра и видимый
и ближний инфракрасный (ИК) диапазоны, в которых переносится до 99% сол-
нечной энергии, проникающей сквозь толщу атмосферы. Диапазон электро-
магнитных излучений Солнца, реально воздействующих на орбитальные и ино-
планетные сооружения, лишенные благотворной защиты газовой атмосферы,
более широк и охватывает, в частности, весь УФ-спектр, рентгеновские и у-излу-
чения, представляющие реальную опасность для космонавтов и других пред-
ставителей земной биосферы, особенно в период солнечных вспышек. Однако
эти вопросы находятся на стыке гелиотехники и биологической защиты от
излучений, рассматриваются в космической биологии и других смежных об-
ластях прикладной науки, т. е. выходят за рамки настоящей работы.
Выделим некоторые наиболее важные для гелиотехнических разработок
свойства энергетического поля солнечной радиации, создаваемого в окрест-
ностях строительных объектов как на поверхности планеты, так и в окружаю-
щем пространстве [3]:
спектральный состав электромагнитных волн, соответствующий излучению
высокотемпературного источника, основная энергия которого переносится
в диапазоне от 0,3 до 3,0 мкм;
анизотропность поля излучения;
периодичность и изменчивость направления и энергетического уровня пото-
12
Рис. 1.1. Спектр электромагнитных колебаний и распределение энергии в спектре солнечного излу-
чения и абсолютно черного тела
а — спектр электромагнитных колебаний; 1 — диапазон, в котором солнечная радиация оказывает
тепловое и физико-химическое воздействие на космические сооружения и аппараты; 2 — то же, для
земных сооружений; 3 — диапазон коротковолнового и длинноволнового лучистого теплообмена
космических сооружений; 4 — то же, для земных сооружений; б — распределение энергии в спектре
солнечного излучения; 1 — рентгеновский лучи; 2 — линейчатая ультрафиолетовая часть спектра;
3 — ультрафиолетовая и видимая части спектра; 4 — видимая часть спектра; 5 — инфракрасная
часть спектра; 6 — а-лииия Лаймана; 7 — 0-линия Лаймана; в — распределение энергии по спектру;
1 — по данным НИЛ ВМС США; 2 — по данным Смитсонианской астрофизической обсерватории;
г — спектральный состав солнечной энергии, прошедшей через сухую и чистую атмосферу при раз-
личных высотах солнца ft0; д — спектры излучения абсолютно черного тела (а. ч. т.) ; / — при тем-
пературах от 200 до —40° С; 2— смещение максимумов спектральной интенсивности излучения
а. ч. т.
13
ков радиации во времени и пространстве для большинства вращающихся
объектов и систем, например системы «Земля — здание»;
взаимодействие с облучаемой конструкцией по поверхности облучения и
в пределах глубины лучепрозрачного слоя;
способность поглощаться строительными материалами с выделением теп-
лоты.
Именно эти свойства, как будет показано ниже, и определяют специфику
гелиотехнического конструирования зданий и солнечных термостатирующих
систем для них.
Дадим основные определения, необходимые для дальнейшего рассмотрения
вопроса.
Радиация, поступающая к ограждениям облучаемого объекта в виде потока
параллельных лучей, исходящих от диска солнца, называется прямой солнеч-
ной радиацией 5 [1]. Часть радиации, рассеянная атмосферой, поступает
к ограждениям зданий и сооружений в виде диффузных потоков от небесного
свода и называется рассеянной солнечной радиацией D. Общее поступление
на наружные ограждения прямой, рассеянной и отраженной от окружения (D')
радиации в актинометрии называют суммарной радиацией
Q = S+D+D'. (1.1)
Часть радиации, взаимодействуя с ограждениями объекта и отражаясь
в окружающее пространство, образует отраженную коротковолновую радиа-
цию /?'. Остальная часть суммарной радиации образует поглощенную коротко-
волновую радиацию, пропорциональную коэффициенту поглощения р. Баланс
коротковолновой радиации наружных ограждений может быть представлен
в виде
nK = QR'=Qp- (1.2)
Отражательная способность ограждения характеризуется величиной ин-
тегрального альбедо поверхности А, %, определяемой отношением отраженной
к поступающей суммарной радиации:
Л 100, (1.3)
а коэффициент поглощения коротковолновой радиации
Р=1-Л/100. (1.4)
Наряду с коротковолновой солнечной радиацией к строительному объекту на
поверхности планеты, окруженной газовой оболочкой, поступает длинновол-
новое излучение атмосферы Ей, называемое в актинометрии также тепловым
противоизлучением [1]. Часть длинноволнового теплового противоизлучения
атмосферы поглощается ограждением пропорционально коэффициенту тепло-
вой черноты е. Остальная часть отражается. Ограждения строительных объек-
тов, имеющие температуру выше абсолютного нуля, сами излучают в длинновол-
новом спектре — это так называемое собственное излучение ограждения Ео.
Основную часть (99%) теплового излучения атмосферы и конструкций состав-
ляют электромагнитные волны ИК-диапазона длиной от 4 до 40 мкм.
Баланс длинноволнового излучения называется эффективным излучением
ограждения Еэ$. Актинометрическое определение эффективного излучения не
совпадает с трактовкой эффективного излучения в теплотехнике.
Величина, характеризующая приход-расход лучистой энергии в коротко-
волновом и длинноволновом спектре, представляет собой остаточную радиацию,
или радиационный баланс ограждений
Re =S + D+еЕ — R'— Е = В — Е.. (1.5)
a к
14
1.1.2. Солнечная энергооблученность зданий и сооружений. Критерии облу-
ченности. Облучаемые солнцем здания участвуют в многокомпонентном лучи-
стом теплообмене системы «солнечная радиация — атмосфера — здание», ко-
торый происходит в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях
электромагнитного спектра. Интегральный теплотехнический эффект, вызван-
ный солнечной радиацией, зависит от формы здания, его ориентации, объемно-
конструктивного решения стен и покрытия, коэффициентов поглощения мате-
риалов и конструкций. Отвлекаясь для общности анализа от детальных решений
наружных ограждений, рассмотрим характер взаимодействия с солнечной ра-
диацией здания как геометрического тела. При этом в основу анализа положим
действительные суммы солнечной радиации с учетом облачности, осредненные
по данным многолетних наблюдений, отметив, что именно эти суммы играют
роль реального фактора в тепловом балансе зданий в отопительный сезон или
в период интенсивной работы кондиционеров, а также роль главного фактора
в зданиях с солнечным термостатированием.
Понятие приведенной солнечной облученности зданий [3[. В качестве
обобщенного показателя энергетического уровня поля солнечной радиации
у поверхности наружных ограждений зданий нами предлагается считать энерге-
тическую характеристику — приведенную солнечную облученность единицы
площади наружных ограждений или, для краткости, приведенную солнечную
облученность здания.
Для этого рассмотрим в общем случае строительное сооружение произволь-
ной формы в направленном поле солнечной радиации (рис. 1.2) и констатируем,
что приход лучистой энергии на элементарную площадку наружного огражде-
ния dF (для сооружений, ориентированных относительно некоторой точки на
поверхности Земли), определяется из выражения [1]
Sc dF = SLcos idF = SL\cosa (sin sin 5 + cos <^cos 5 cos 12) + sin a X
X {cosipn[tg (sin sin 6 + cos 12) — sin 6 sin + sintpn cos 5 sin 12}<7F,
где Sc — интенсивность солнечной радиации, поступающей на площадку данной ориентации;
SL — то же, на площадку, перпендикулярную солнечным лучам; i — угол между нормалью к dF
и солнечным лучом; а — угол наклона площадки к горизонту; У — азимут проекции нормали к dF,
отсчитываемый от плоскости меридиана по часовой стрелке; <f — широта местности; 6 — склонение
солнца (координата времени года); Q—часовой угол (координата времени дня).
Для инженерного анализа влияния формы и ориентации сооружения на его
энергообеспеченность в поле излучения конкретизируем задачу, принимая
cp=const и 6=const.Тогда, введя обозначения ^ = sincpsin6, B=cos<pcosfe, Ai =
=Atgq>, B| = Btgcp, C=cos6 и заменяя часовой угол Q=w(, исходя из выраже-
ния (1.6), запишем:
cos i = cos а (А + В cos cot) + sin a [costpn (A^+ B^ cos cot I - A] + sin <pn C sin cot. (1.7)
Интегрируя выражение (1.6) с учетом (1.7) по £либо (в зависимости от тре-
бований решаемой задачи) по F и по t, можно определять энергооблученность
того или иного сооружения в единичный отрезок времени либо оценивать суточ-
ный ход общей облученности зданий и сооружений.
Таким образом, в общем случае правомерно записать
fScdF=fSLcosi dF=SLSdFv (1.8)
откуда, заменяя в левой части подынтегральное выражение конечной суммой
(для зданий и сооружений — многогранников), получим
SS’.A/y^. (1.9)
15
Следовательно, энергетическую обеспеченность (облученность) суммы наруж-
ных ограждений здания или сооружения, в данном случае прямой солнечной
радиацией, можно определять двумя путями: суммированием произведений
облученности отдельных ограждений на их площади или умножением интенсив-
ности солнечной радиации, поступающей на площадку, перпендикулярную
направлению солнечных лучей, на проекцию сооружения в плоскости, нормаль-
ной к солнечным лучам. Первый способ удобен для анализа энергооблученности
простейших отдельно стоящих зданий прямоугольной формы. Применение вто-
рого способа существенно сокращает трудоемкость вычислений для сложных,
например криволинейных сооружений.
С учетом изложенного выше, приведенную солнечную облученность здания
можно представить как отношение общей облученности здания к сумме площа-
дей наружных ограждений:
03« =
пр
Sfs -д^ FL
Е--—2= _—= ---.
ПОЛИ ^полн
(1-Ю)
SAF
F '
Вводя обозначения
D^AF/SAF-fcO и ^ = FjFnon^), (1.11)
7 F J
можем записать
0^ = S(5c/7?/J=S±7?±. (1.12)
Из выражений (1.11) и (1.12) следует, что коэффициенты ip и т]± характе-
ризуют геометрию сооружения в поле солнечной радиации. Так, тр представляет
собой коэффициент геометрического подобия ограждения. Его скалярная вели-
чина отражает удельный вклад данного ограждения в общую сумму наружных
ограждений, а вектор дает полную геометрическую характеристику подобия.
На основании формулы (1.11а) можно записать уравнение геометрического по-
добия наружных ограждений, придавая тр значение вектора нормали к соответ-
ствующему ограждению [3]:
|T?jl +Й21 + ...+ |т?у1 + ---+ I т?„1 =1. (1-13)
Уравнение (1.13) отражает тот факт, что два или несколько взаимно неза-
теняемых зданий в направленном поле излучений подобны друг другу, если
векторы коэффициентов геометрического подобия их ограждений попарно
равны. На основании выражений (1.11) и (1.12) констатируем, что приведенная
облученность наружных ограждений геометрически подобных и одинаково ориен-
тированных в пространстве сооружений не зависит от масштаба сооружений.
Вторая безразмерная величина тц из выражения (1.116) представляет со-
бой коэффициент энергетической эффективности формы сооружения. Физиче-
ский смысл его заключается в том, что два или более различных взаимно неза-
теняемых и не отражающих друг на друга объекта имеют в направленном поле
солнечной радиации приведенную солнечную облученность, независимо от их
конфигурации пропорциональную коэффициенту энергетической эффектив-
ности формы.
Учет влияния рассеянной радиации D и оценка приведенной облученности
объекта суммарной радиацией несколько различны для двух изложенных выше
способов. Так, добавляя к левой и правой частям выражения (1.12) с учетом
(1.10) слагаемое вида SDtp (или равноценное ему S DdF), получим в первом
случае F F
Q™ =^Scjn+^D n = S Y n (1.14)
пр/гс///г / p I i
16
где Yj= (Sc/+£>) — суммарная солнечная радиация, поступающая на ограждение /-той ориентации.
Во втором случае будем иметь
0зд = S т? +
пр
F
полн
(1.15)
Для ряда ситуаций правомерно допущение £)йа£)ср» const, тогда
е^=^1’1±+Оср. (1.15 а)
пр х х СР
Оба сформулированных выше приема оценки приведенной солнечной облу-
ченности на основе коэффициентов геометрического подобия и энергетической
эффективности формы позволили автору выполнить исследования сравнитель-
ной энергетической обеспеченности солнечной радиацией множества зданий и
сооружений различных форм как для разнообразных региональных гелиокли-
матических условий Советского Союза, так и применительно к некоторым ино-
планетным сооружениям. Приведенная солнечная облученность зданий позво-
ляет количественно определить общий потенциальный теплотехнический эффект,
создаваемый солнечной радиацией в окрестностях конкретного строительного
объекта, а также является удобным «инструментом» анализа при исследовании
влияния формы, ориентации здания, времени суток и года на абсолютную ве-
личину «суммарного солнечного эффекта» в тепловом режиме зданий, т. е. явля-
ется критерием энергетической оптимальности объемно-планировочных реше-
ний зданий в направленном или диффузно-направленном поле излучений.
Эталон приведенной солнечной облученности зданий. В качестве строитель-
ного эталона для определения эффективной облученности зданий и отдельных
ограждений солнечной радиацией нами предлагается принять абсолютно черное
тело, имеющее форму куба (условный размер граней 1 м), установленного на
открытой незатеняемой площадке и ориентированного по основным странам
света. При этом принимаем во внимание, что, согласно формулам (1.11) и
(1.12), приведенная облученность эталона Q„p не изменится, если размеры гра-
ней и, следовательно, площади поверхности наружных ограждений куба будут
иметь любую другую произвольную величину. Это свойство эталона весьма су-
щественно как для актинометрического анализа солнечной облученности зда-
ний, так и для теплотехнических сопоставлений облученности с расходом теп-
лоты наружными ограждениями.
У эталонного куба все коэффициенты геометрического подобия облучаемых
ограждений
т?1 =т?2 =т1з =т?4 =т?п =0’2’ (1-16)
так как площадь шестой поверхности (основание здания) при расчете площа-
дей облучаемых ограждений не учитывается, и условие (1.12) записывается
в виде
(Qi + Q2 + Q3 + + Ср) v = (Qc + QB+QI0 + Q3 + QnJO,2. (1.12')
Эталон облученности в настоящей работе применен в следующих случаях.
1. Для оценки эффективности формы и ориентации проектируемых зданий
и достигаемого уровня суммарной облученности через безразмерный коэффи-
циент |зД:
£зд = <2ЗД/<2ЭТ ; (1.17)
пр пр
например, для прямоугольного здания, имеющего четыре стены и плоское по-
17
Рис. 1.3. Годовой ход приведенной солнечной
облученности по средним многолетним данным
при действительной облачности в местах, пред-
ставляющих различные гелиоклиматические
условия на территории СССР. — Архангель-
ске (1), Ашхабаде (2), Волгограде (3), на Ка-
радаге (4), в Ленинграде (5), Ташкенте (6).
Уссурийске (7)
Рис. 1.4. Корреляционная зависимость при-
веденной солнечной облученности эталонного
здания Q” и облученности горизонтального
покрытия по средним многолетним данным для
20 городов Советского Союза при действитель-
ной облачности
Месяцы
1,2 1,3
18
крытие и ориентированного по странам света (широтная или меридиональная
ориентация)
QCT^ + <2вТ?вД+ + Q3^3+ /. 17'4
£ _ V V ИИ nJ К) J J II I! (Д 1 / /
*зд ~ ’ёс+_ею’+Св+е"+е~ ’
2. Для теплотехнических сопоставлений солнечной облученности с собствен-
ными затратами теплоты через наружные ограждения зданий. Из множества
прямоугольных зданий можно выделить семь экстремальных форм, включая
эталон (табл. 1.1).
1.1.3. Закономерности годового хода приведенной солнечной облученности
зданий. Проанализируем годовой ход приведенной облученности здания-эта-
лона (рис. 1.3) и двух экстремальных форм — меридиональной (тип 3) и широт-
ной (тип 6) — в семи городах-представителях и опорных пунктах, для которых
имеются достоверные данные многолетних наблюдений за поступлением сол-
нечной радиации: Архангельске, Ашхабаде, Волгограде, Ленинграде, Ташкенте,
Уссурийске и актинометрической обсерватории на Карадаге. Указанные города
выбраны нами с целью получить поширотный разрез в наиболее населенных
районах страны, а также оценить диапазон возможных отклонений на относи-
тельно близких широтах в районах со специфическими различиями условий
климата.
Как видно из рис. 1.3, годовой ход приведенной облученности эталонного зда-
ния-куба в основном пропорционален годовому ходу облученности горизонталь-
ного покрытия. Максимум облученности с учетом действительных условий об-
лачности в северных широтах приходится на июнь (Архангельск, Ленинград)
и достигает 3477—4164 Вт/м2. Отметим, что по абсолютной величине приведен-
ная облученность эталона в Архангельске в весенние и летние месяцы выше, чем
в Ленинграде, на 5,5%, а в мае — июле она на 14,1 % выше среднесуточной облу-
ченности, чем в Тбилиси, и на 5,3% выше, чем в Алма-Ате, в Ашхабаде же она
выше лишь на 4,4%. И хотя активное облучение зданий значительными потоками
солнечной радиации в Архангельске продолжается чуть более пяти месяцев в го-
ду, из приведенных выше сопоставлений следует, что в Заполярье при определен-
ных условиях можно развивать некоторые направления солнечного отопления
зданий, в первую очередь сезонных, работающих в летнее время года (летние ла-
геря, дома отдыха и т. д.).
Южнее 50° с. ш. годовой максимум приведенной облученности эталона за
счет действительных условий облачности смещается на июль. Наиболее высокая
корреляция приведенной облученности эталонных зданий наблюдается в весен-
ние месяцы (март— май) и в начале лета (июнь). Во второй половине лета
и осенью значения приведенной облученности эталонных зданий в различных
городах и географических районах страны распределяются пропорционально
изменению общего прихода суммарной солнечной радиации на горизонтальную
поверхность, главным образом в связи с неодинаковым возрастанием облачно-
сти и числа пасмурных и дождливых дней. Достаточно подробный анализ типов
погоды и количественные соотношения вероятности их повторения на террито-
рии СССР содержится, например, в Физико-географическом атласе мира [4].
Оценка отдельных климатологических факторов или их сочетаний дается в на-
стоящей работе лишь в той степени, в которой это относится к расчету или ана-
лизу условий работы гелиотехнических сооружений. Целесообразно отметить
некоторые экстремальные моменты, в частности «аномалию» годового хода
приведенной облученности зданий на Дальнем Востоке, вызванную влиянием
муссонного климата Приморья (Уссурийск). Здесь наблюдается минимум по
сравнению с другими районами СССР приведенной облученности летом и мак-
симум в зимние месяцы. В ноябре — марте здания в Уссурийске получают
больше солнечной энергии, чем в Ташкенте, Алма-Ате, Ашхабаде и других «сол-
19
Таблица 1.1. Геометрические и гелиоэнергетические характеристики прямоугольных зданий экстремальных форм
Тип здания Схема Геометрические параметры Приведенная сол- нечная облучен- ность здания с?® vnp
основные размеры 7? коэффициент огражден- ности л-1 ^зд~ S ^н.о/^зд коэффициент ком- пактности здания ^=^_Д___ = ^эт п-1 2 = 0,2 S Г’д
Л1/’* <аопр =«; л)
1 - эталон (здание
кубической формы)
ахаха
7,1=Г?2=т?3~ 5(5)
=П4=Т?5=0,2 а Л
5
2 - здание меридио-
нальной ориентации,
низкое, вытянутое
в плане
3 - то же, высотное
а<< Ъ V1^0
a ~h n2=n4»nn
(flonp=fc)
a«h 7?1=7?2«
b <*h «^->0
<eonp=fc> 7?2=7?4
3 2 - + й aonp 3 Д 0,4 (-Л-) ’ + flonp 1 + о,6(-й-ОШ1-)'з A lim = „ "P T^>Q = _йв±2з+&_ 3
2 3 2 0,4(-SSSP.-)5 + 1- л’Д - lim (?„„ =
- +— A a Д + 0,6(-2'—)’ aonp л ПР 2
4 - развитое в плане
сблокированное ма-
лоэтажное здание
a»h 7?! =Т?2 =
1 4 1
- +—
Л fl д
0,2(--)э +0,8(--)3 Um(2^ = (2
Д а пр п
5 - здание широт-
ной ориентации,
низкое, вытяну-
тое в плане
а » Ъ
b « h
(йопр=а>
П2=Т?4-0
7?1 =7?з“
«т?п
-+- -- 0,4(-^-) э+0,6=
ьа Л а & = Лн±еп
3
б - то же, высотное
а « h b« h ’72=г?4“ «п-0 2 3 - +— 2_ 1 2 ите^=^+-^ 0,4 (--)Э +о,6(-А-)Э Р 2
(%пр=а) П1=т?3 Д а Д А а
7 - дом-башня
а« И п -о 2 зд
(аопр=А) П1=т?2 = 4+-- 4 0,2 ( )’ + аопр lim% =
= т?3=т?4 Сопр А fl — + 0,8 (-ОПР-) э Д 4
Примечание. Д - неизменяемый размер здания при эволюции формы от эталонного куба (тип 1) до экстремальных форм (типы 2-7), т.е. для здания
типа 2 при Ъ -► °° Д =а, для здания типа 5 при а -»"» Д =Ъ и т.д.; 0 - площадь наружного ограждения; flQnp - определяющий размер здания
нечных» городах и районах Советского Союза. Так, в январе — декабре приве-
денная облученность здания-эталона в Уссурийске превышает приведенную
облученность в Ашхабаде на 8,1%, Алма-Ате—на 16,4%, Ташкенте—на
17,1% и Тбилиси — на 18,4%. Таким образом, анализ приведенной облучен-
ности эталонных зданий еще раз показал, что наиболее благоприятные гелио-
климатические условия в нашей стране, создающие естественную предраспо-
ложенность для первоочередной разработки и внедрения в практику проекти-
рования и строительства различных систем солнечного отопления зданий,
имеются прежде всего в Приморском крае.
В связи с тем, что репрезентативность найденных нами значений приведен-
ной солнечной облученности эталонных зданий в соответствии с характеристи-
кой достоверности исходных данных о солнечной радиации [5] распростра-
няется на регион в радиусе 50 км вокруг каждого из рассмотренных городов
и на высоту 0,5 км от наземного уровня застройки, возникла необходимость
в отыскании математической зависимости приведенной облученности эталона
от суммарной радиации, поступающей на горизонтальное покрытие здания Qn.
Взаимосвязь указанных величин исследована нами по месяцам годичного цикла
(данным многолетних наблюдений) для двадцати городов Советского Союза,
территориально относящихся к различным строительно-климатическим зонам
страны, а именно для Алма-Аты, Архангельска, Ашхабада, Александровского,
Волгограда, Воронежа, Карадага, Кишинева, Курска, Ленинграда, Москвы,
Риги, Сухуми, Тбилиси, Уссурийска, Ферганы, Форт-Шевченко, Хабаровска,
Целинограда (рис. 1.4.). Математическая обработка этих результатов позво-
лила автору получить эмпирическую зависимость
оэт = 4286 sin - 0,115 с + 302 Вт/ IV? . П 18т
пр 16517 11 У.1*10/
В случаях, требующих более высокой корреляции, аналогично выводятся
дифференцированные зависимости для групп городов того или иного региона.
Однако на территории СССР между 38 и 66° с. ш. для всех случаев, за исклю-
чением сплошной облачности, выражение (1.18) позволяет в первом приближе-
нии с достаточной степенью точности судить о значении приведенной облучен-
ности эталона, если суммарная радиация, поступающая на горизонтальную по-
верхность, для данной местности известна из справочной литературы или полу-
чена экспериментально.
Для градостроительства большой практический интерес представляет ана-
лиз гелиотехнических аспектов широтного и меридионального размещения зда-
ний. Рассмотрим многоэтажные вытянутые в плане здания (рис. 1.5) — широт-
ные (тип 6) и меридиональные (тип 3) в условиях выбранных ранее семи горо-
дов-представителей. Предварительно отметим, что на годовой ход приведенной
облученности широтно ориентированных зданий решающее влияние оказывает
высота полуденного солнца (см. левую часть рис. 1.5), существенно зависящая
от широты местности (ср. кривые 1 и 2,4, 6). На графике отчетливо видно, что
в северных городах (Архангельск, Ленинград) максимум облученности широт-
ных зданий приходится на вторую половину весны и первую половину лета.
В южных районах (Карадаг, Ташкент, Уссурийск) картина облученности иная:
минимум облученности приходится на май-июнь, а два максимума наблю-
даются в сентябре-октябре и январе-феврале. Абсолютный максимум при-
веденной облученности широтных зданий наблюдается на Дальнем Востоке
(Уссурийск) в феврале и достигает 2801 Вт/м2 (средняя многолетняя цифра при
действительных условиях облачности), в то время как для такого же здания
в Ташкенте он равен 1877 Вт/м2 в июне. Отметим, что Волгоград имеет средин-
ную характеристику годового хода приведенной облученности по отношению
как к северным, так и к южным городам страны.
22
Рис. 1.5. Сравнительный годовой ход приведенной солнечной облученности зданий типа 6 (а) и ти-
па 3 (б) при действительных условиях облачности в семи городах-представителях и опорных пунктах
на территории СССР: / — Архангельск; 2- Ашхабад; 3 -Волгоград; 4 — Карадаг; 5—Ленинград,
6—Ташкент; 7 — Уссурийск;
в — спектры излучения; 1 — а. ч. т. при температуре 6000 К; 2 — солнце на верхней границе атмо-
сферы (Sm = 0); 3 — то же, на уровне моря (Sm=l), Sm — условная масса атмосферы
23
В значительной степени отличается график годового хода приведенной облу-
ченности для зданий меридиональной ориентации (тип 3, см. правую часть
рис. 1.5). В связи с тем, что суточные суммы облученности таких зданий склады-
ваются главным образом из облученностей в утренние и вечерние часы (т.е. диф-
ференциация высоты полуденного солнца особой роли не играет), кривые годо-
вого хода приведенной облученности меридиональных зданий имеют высокую
взаимную корреляцию. Так, приведенная облученность зданий типа 3 в Архан-
гельске в июне составляет 3637 Вт/м2, что практически равно облученности
в Карадаге в июле и лишь на 0,8% меньше, чем приведенная облученность
в Ашхабаде в июне. Отмечая, что суточные суммы солнечной теплоты, получен-
ной зданием типа 3 в мае — июле в Архангельске и Ленинграде, соответственно
на 27,5 и 31,4% больше, чем зданием типа 6 в тех же условиях, а в Ташкенте
широтное здание типа 6 получает в этот период в 1,9 раза меньше избыточной
лучистой энергии, чем здание типа 3, можно сделать два важных вывода о пред-
почтительной с позиций радиационного баланса ориентации зданий:
в северных широтах, где солнечная радиация и в летние месяцы восприни-
мается как положительный фактор в формировании теплового баланса, пред-
почтительна меридиональная ориентация, обеспечивающая общий выигрыш
в лучистом теплопритоке к наружным ограждениям в пределах до 30% и более;
в южных широтах, где солнечная радиация в летние месяцы рассматри-
вается как отрицательный фактор, создающий тепловой дискомфорт, а зимой,
наоборот, целесообразен максимальный солнечный подогрев, предпочтительна
широтная ориентация зданий, обеспечивающая высокую круглогодичную опти-
мизацию теплового режима, усиливающуюся при применении специальных
архитектурных и гелиотехнических конструктивных решений наружных ограж-
дений (стен).
1.1.4. Солнечные энергетические ресурсы частей зданий. Здание непосредст-
венно взаимодействует с солнечной радиацией в пределах инсолируемого
объема и глубины лучепрозрачного слоя наружных и внутренних ограждений.
При этом различные ограждения вследствие рассматривавшихся выше причин
астрономического, геофизического и геометрического характера испытывают
в поле солнечной радиации неодинаковую энергетическую нагрузку, вследствие
чего различные части и объемные элементы зданий — рядовые одно- и двухфа-
садные квартиры, рядовая и торцевые секции, угловые блоки, верхние этажи
и их фрагменты в пределах одного здания в энергетическом отношении обеспе-
чены солнечной радиацией также неодинаково.
На этапе освоения и экспериментальной проверки различных систем солнеч-
ного отопления зданий в качестве одной из возможных, а для городского много-
этажного строительства и наиболее удобных форм является испытание таких
систем на фрагментах возводимых или эксплуатируемых зданий. Рассмотрим
взаимодействие здания и его объемных элементов с солнечной радиацией с точки
зрения формирования гелиоэнергетического режима у внешней границы на-
ружных ограждений. При исследовании будем использовать фактор приведен-
ной солнечной облученности применительно к объемным элементам здания
с одним, двуМя и более фасадами.
Примем следующие условные обозначения для ограждений здания, ориен-
тированного по основным странам света: С — северный фасад, В — восточный
фасад, Ю — южный фасад, 3 — западный фасад; П — плоское горизонтальное
покрытие. При этом считаем, что внутренние ограждения, отделяющие рас-
сматриваемый гелиотехнический объемный элемент (например квартиру) от
примыкающего объема здания, находятся в тепловом равновесии с последним
либо дополнительно теплоизолированы. С учетом сказанного можно выделить
следующие объемные элементы, группируя их по числу наружных ограждений,
подвергаемых облучению солнцем:
24
однофасадные Qnp=Q„ где(=С; В; Ю; 3, т. е. всего пять вариантов, вклю-
чая энергетический аналог экстремального здания типа 4 (Qnp=Q„, см.
табл. 1.2);
двухфасадные, в том числе включающие сочетания фасада с покрытием:
<2пР=т}Q>+Л/Qi, гДе i’+/=C+B, Ю+В и т. д., СЦ-П, В-|-П и т. д., т. е. всего
десять вариантов в пределах соблюдения условия т]/= const; в частности,
при т),= т)/= 0,5 — два энергетических аналога экстремальных зданий типа 3 и 6;
трехфасадные, в том числе включающие сочетания двух фасадов с покры-
тием: Qnp = T)‘Q" + T)/(2/+T)*Q*; в частности, при т], = т], = т]& = 1/3— два энерге-
тических аналога экстремальных зданий типа 2 и 5;
четырехфасадные: Qnp = rjQiт],Q,+ г]*Qk+т]гQp, т.е. пять вариантов для
каждого случая, когда т],:т);:т)*:= const; в частности, при т]| = т]2=т)з=0,25—
энергетический аналог экстремального здания типа 7;
пятифасадные (верхние этажи дома-башни, торцевые секции зданий на вы-
соких рамных опорах или сваях): Qnp=Sr],Q, (теоретически возможны три
типа вариантных решений, из которых исключаем рассмотрение вариантов
с облучением нижней поверхности из-за отсутствия статически достоверных
экспериментальных данных по облученности солнечной радиацией таких ограж-
дений) в пределах соблюдения условия т],:т]/:т]*:т]р.’т]/; = соп51; в частности,
при ту = т]/ = т)р = т](, = т]*=О,2 — энергетический аналог эталонного здания
кубической формы.
Таким образом, исследованию параметров годового и суточного хода сол-
нечной облученности подлежит 31 основной вариант объемных элементов зда-
ний, подчиняющийся условию равенства коэффициентов геометрического подо-
бия облучаемых ограждений, и произвольное множество подвариантов, харак-
теризующихся неравенством коэффициентов подобия, но часто встречающихся
в современном строительстве. Задачу такого типа ввиду большого объема иссле-
дуемой информации целесообразно решать на ЭЦВМ. Исследуем годовой и су-
точный ход режима приведенной солнечной облученности 31 основного и 24 до-
полнительных вариантов объемных гелиотехнических элементов зданий, в том
числе 10 двухфасадных, 12 трехфасадных и 2 четырехфасадных, в условиях го-
родов (и прилегающих к ним регионов). Поскольку общий объем получаемой
при этом актинометрической информации достаточно обилен, ограничимся рас-
смотрением и анализом наиболее общих закономерностей формирования ре-
жима приведенной облученности на примере двух городов: годового хода
в Феодосии (Карадаг) и суточного хода в Ашхабаде.
Общая геометрическая характеристика исследованных вариантов зданий
и их элементов с учетом пространственной ориентации ограждений представ-
лена в табл. 1.2., где указаны соотношения коэффициентов геометрического
подобия для каждого из вариантов.
Годовой ход приведенной облученности объемных элементов зданий по
многолетним данным при действительных условиях облачности на Карадаге
представлен на рис. 1.6. Исходная информация о действительных суточных
суммах солнечной радиации, поступающих на ограждения основных ориента-
ций, представлена в табл. 1.3. Разработанная программа расчета на ЭВМ обе-
спечивает на выходе информацию, в которой все варианты проанализированы
и помесячно размещены в порядке убывания относительной приведенной энер-
гетической облученности солнечной радиацией. Такая информация позволяет
составить строго количественное представление о сравнительной обеспечен-
ности солнечной энергией (т. е. гелиоэнергетической эффективности) того или
иного варианта в сопоставлении с эталоном, а также о годовой эволюции дан-
ного показателя для любого сочетания вариантов, например, при оценке сол-
1 В качестве одного из фасадов для общности изложения вариантов будем условно понимать
покрытие здания.
25
а)
ккалЦм1- сут) О^,яВт/мг 7<
Месяцы
1
6
5
t
5
2
1
ЮйО
№00
5000
6000
5000
230/Ь-А
<000
о
I п EKinnaim
Месяцы
ж
150
100
50
О__।__।_।__.__।__
изнтшта
Месяцы
Месяцы
6)
26
Рис. 1.6. Годовой ход приведенной солнечной облученности зданий и объемных элементов (гелио-
квартир) при действительных условиях облачности по средним многолетним данным (Карадаг).
Пространственная ориентация вариантов 1.1; 1.2;... 31.1 показана в табл. 1.2 (слева — абсолютная
приведенная облученность объектов; справа — то же, относительная в % от облученности эталон-
ного куба в тех же условиях)
а — одиофасадные квартиры (31.1 — эталонное здание-куб); б -- двухфасадные гелиоблоки рядо-
вого этажа северо- и юго-восточной ориентации; в — двухфасадные гелиоблоки рядового этажа
юго-западной ориентации; г — двухфасадиые квартиры рядового этажа: угловая (северо-запад),
широтная и меридиональная рядовой секции; д — двухфасадные (стена + покрытие) гелиоблоки
верхнего этажа северной и восточной ориентации; 5.1 и 2.1 — границы области вариации облучен-
ности восточных квартир верхнего этажа; е — то же, южной ориентации; 3.1 и 5.1 — границы облас-
ти вариаций облученности южных квартир верхнего этажа; ж — то же, западной ориентации; 4.1 и
5.1 — границы области вариаций облученности западных квартир верхнего этажа; з — трехфасад-
ные квартиры верхнего этажа северо- и юго-восточной ориентации (С + В + П; Ю+В + П); и — то
же юго- и северо-западной ориентации (Ю+З + П; С+З + П); к — то же, широтной и меридиональ-
ной ориентации (С + Ю+П; В+З + П); л — трехфасадные квартиры, торцевые секции рядового
этажа; м — четырехфасадные торцевые секции верхнего этажа; рядовая секция дома-башни —
(30.1) и эталонное здание-куб с пятью облучаемыми ограждениями
немного энергетического режима гелиозданий, а также объемных блоков или
гелиоквартир в рамках проектируемого комплекса, микрорайона или другого
массива зданий в условиях рассматриваемого города (региона). Кроме того,
в табличной форме могут быть представлены результаты исследований экстре-
мумов годового хода приведенной абсолютной и относительной облученности
строительных объектов с указанием месяцев для каждого из рассмотренных
вариантов, а также приведены среднегодовые значения облученности. Про-
грамма обеспечивает расчет амплитуды годового хода облученности и, что не
менее важно для солнечного отопления (охлаждения) зданий, дает сведения
Таблица 1.2. Характеристика вариантов гелиотехнических объектов —
зданий и их объемных элементов — при различной пространственной
ориентации ограждения
Вари- ант. подва- риант Коэффициент геометрического подобия ограждения в уравнениях (1.11). (1.13) Фильтр групп эпюр Вари- а ит, подва- риаит Коэффициент геометрического подобия ограждения в уравнениях (l.l 1), (1.13) Фильтр групп эпюр
Ч 42 Чз 44 4i 42 Пз 44 4s(T)nl
север восток юг запвд гори зон- таль- иое покры тие север ВОСТОК юг запад гори- зои- таль- иое покры- тие
1.1 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0 18.3 0,000 0,000 0,250 0,250 0,500 0.0
2,1 0,000 1,000 0,000 0,000 0,000 0,0 18.4 0,000 0,000 0.200 0,400 0,400 0,0
3,1 0,000 0,000 1,000 0,000 0,000 0,0 19.1 0,333 0,000 0,000 0,333 0,333 1.0
4,1 0,000 0,000 0,000 1,000 0,000 0,0 20.1 0,333 0,000 0,333 0,000 0,333 0,0
5,1 0,000 0,000 0,000 0,000 1,000 0,0 20.2 0.167 0.000 0,167 0,000 0,667 0,0
6,1 0,500 0,500 0,000 0,000 0,000 0,0 20.3 0,250 0,000 0,250 0,000 0,500 0,0
7,1 0,000 0,500 0,500 0,000 0,000 0,0 21.1 0,000 0,333 0,000 0,333 0,333 0,0
7,2 0,000 0,333 0,667 0,000 0,000 0,0 21 2 0,000 0,167 0.000 0,167 0,667 0,0
7,3 0,000 0,250 0,750 0,000 0,000 0,0 21.3 0,000 0,250 0 000 0,250 0,500 1,0
7,4 0,000 0,667 0,333 0,000 0,000 0,0 22,1 0,333 0,333 0,000 0,333 0,000 0,0
7,5 0,000 0,750 0,250 0,000 0,000 1,0 23.1 0,333 0,333 0,333 0,000 0,000 0,0
8,1 0,000 0,000 0,500 0,500 0,000 0,0 24.1 0,000 0,333 0,333 0,333 0,000 0,0
8,2 0,000 0,000 0,333 0,667 0,000 0,0 24.2 0.000 0,167 0,667 0,167 0,000 0,0
8,3 0,000 0,000 0,250 0,750 0.000 0,0 24.3 0,000 0,250 0,500 0,250 0,000 0,0
8,4 0,000 0,000 0,667 0,333 0,000 0,0 25.1 0,333 0,000 0,333 0,333 0,000 1.0
8,5 0,000 0,000 0,750 0,250 0,000 1,0 26.1 0,250 0,250 0,000 0,250 0,250 0,0
9,1 0,500 0,000 0,000 0,500 0,000 0,0 27.1 0,250 0,250 0,250 0.000 0,250 0,0
10.1 0,500 0,000 0,500 0,000 0,000 0,0 28.1 0,000 0,250 0,250 0,250 0,250 0,0
11.1 0,000 0,500 0,000 0,500 0.000 1,0 28.2 0,000 0,100 0,400 0,100 0,400 0,0
12.1 0,500 0,000 0,000 0,000 0,500 0,0 28.3 0.000 0.125 0,250 0,125 0,500 0,0
13 1 0,000 0,500 0,000 0,000 0,500 0,0 29.1 0,250 0,000 0,250 0,250 0,250 0,0
13.2 0,000 0 333 0,000 0,000 0,667 0,0 30.1 0.250 0,250 0.250 0.250 0.000 1,0
13.3 0,000 0 250 0,000 0,000 0,750 1,0 31.1 0,200 0,200 0,200 0.200 0,200 0,0
14,1 0,000 0,000 0.500 0,000 0,500 0,0 II 1 0,000 0,500 0,000 0,500 0,000 0,0
14,2 0,000 0,000 0.333 0,000 0,667 0,0 21 1 0,000 0,333 0.000 0,333 0,333 0,0
14.3 0.000 0,000 0,250 0,000 0,750 1,0 31,1 0,200 0,200 0,200 0,200 0,200 0.0
15.1 0,000 0,000 0,000 0,500 0,500 0,0 24.1 0,000 0,333 0,333 0,333 0,000 1,0
15.2 0,000 0,000 0,000 0,333 0,667 0,0 20.1 0,333 0,000 0,333 0,000 0,333 0,0
15.3 0,000 0,000 0,000 0,250 0,750 1,0 9.1 0,500 0,000 0,000 0,500 0,000 0,0
16.1 0,333 0,333 0,000 0,000 0,333 0,0 3,1 0,000 0,000 1,000 0,000 0,000 0,0
17.1 0,000 0,333 0,333 0,000 0,333 0,0 31.1 0,200 0.200 0,200 0,200 0,200 1.0
17.2 0,000 0,400 0,200 0,000 0,400 0,0 30.1 0,250 0,250 0,250 0,250 0,000 0,0
17.3 0,000 0,250 0,250 0,000 0,500 0,0 14.1 0,000 0,000 0,500 0,000 0,500 0,0
17.4 0,000 0,200 0,400 0,000 0,400 1.0 5.1 0,000 0,000 0,000 0,000 1,000 0,0
18.1 18.2 0,000 0,000 0,000 0 000 0,333 0,400 0,333 0,200 0.333 0.400 0,0 0,0 31 1 0,200 0,200 0,200 0,200 0,200 1,0
Таблица 13. Годовой ход солнечной облученности ограждений, зданий (Феодосия,
Карадаг), ориентированных по основным сторонам света, по средним
многолетним данным при действительных условиях облачности (исходная матрица
локальных значений солнечной энергии)
Индекс облучаемого Облученность суммарной солнечной радиацией отдельных ограждений, Вт/(м1 2 3- сут), по месяцам
1 11 1 1V 1 V VI VII VIII IX X! XII
1 215 312 483 690 971 1390 1419 1042 600 371 204 160
2 846 1172 2048 2613 2987 3609 3832 3640 2830 1956 1075 701
3 2802 3140 3842 3263 2706 2469 2824 3459 4250 4075 3065 2738
4 955 1257 2218 2668 3024 3381 3559 3376 2626 1845 940 736
5 1419 1989 3175 4640 6001 6827 6850 5908 4664 2919 1558 1047
1 Индекс ограждения соответствует подстрочечиому индексу в табл. 1.2 и однозначно характери-
зует пространственное положение облучаемой конструкции: 1 — северная; 2 — восточная;
3 — южная; 4 — западная стена; 5 — горизонтальное покрытие.
28
о солнечном энергобалансе рассмотренных вариантов по отопительному и теп-
лому периодам года. Отопительный период количественно характеризуется дли-
тельностью и приведенной солнечной облученностью, осредненной за два наибо-
лее холодных месяца и за весь период, а также амплитудами абсолютной и отно-
сительной облученности в пределах периода. Аналогичные результаты дает
расчет на ЭВМ и за теплый период года. Последние данные необходимы, в част-
ности, для оценки сравнительной энергетической нагрузки от солнечной радиа-
ции на кондиционеры или холодильные агрегаты зданий с кондиционированием,
зданий-холодильников, а также для выбора оптимального в гелиотехническом
отношении варианта объемного решения и пространственной ориентации проек-
тируемых зданий.
В табл. 1.4. представлены результаты анализа энергетической эффективно-
сти рассмотренных объемных элементов зданий в поле суммарной солнечной
радиации по многолетним данным. В порядке убывания обеспеченности солнеч-
ной энергией показаны 10 вариантов с показателями, осредненными по году,
отопительному и теплому периоду. Кроме гипотетического гелиоблока (ва-
риант 5.1), вмонтированного, например, в межферменный этаж совмещенного
плоского покрытия, наиболее обеспечены солнечной энергией в годовом цикле
гелиоблоки южной ориентации в системе верхнего этажа (см. варианты 14.3,
14.2 и 14.1). При этом следует отметить, что однофасадная гелиоквартира юж-
ной ориентации по среднегодовой обеспеченности солнечной энергией среди рас-
смотренных вариантов занимает пятнадцатое место.
В отопительном сезоне по обеспеченности солнечной энергией первые три
места занимают гелиоквартиры рядового этажа южной, юго-западной и юго-
восточной ориентаций (варианты 3.1, 8.5, 7.3). Следующий за ними южный ге-
лиоблок верхнего этажа (вариант 14.1) обеспечен солнечной энергией в отопи-
тельном сезоне на 25% меньше варианта (3.1) рядового (промежуточного)
этажа южной ориентации.
В летний период наибольший интерес представляют здания с наименьшей
приведенной солнечной облученностью. Как видно из табл. 1.4, наименьшую
облученность из числа отдельно стоящих зданий имеет многоэтажное здание
широтной ориентации (вариант 10.1) и здание, квадратное в плане, например
дом-башня (вариант 30.1). Исходя из этого и с учетом коэффициентов компакт-
ности и огражденности можно рекомендовать при проектировании оптималь-
ного в гелиотехническом отношении здания-холодильника объемное решение,
близкое к кубу. Крыша затенена вспомогательным этажом (машинное отде-
деление-|-административные и бытовые помещения), размещенным на колон-
нах над основным холодильным блоком; предусматривается сквозное провет-
ривание пространства между основным и вспомогательным блоками.
Анализ экстремумов годового хода приведенной облученности показывает
также, что далеко не все объемные элементы зданий получают максимум сол-
нечной энергии в наиболее жаркий месяц. Так, из 59 рассмотренных вариантов
42 имеют максимум облученности в июле, 8 в августе и 9 в сентябре. К послед-
ним относятся квартиры южной и юго-западной ориентации верхних и проме-
жуточных этажей (см. рис. 1.6,в и 1.8,л).
Суточный ход приведенной солнечной облученности объемных элементов
зданий по многолетним данным при действительных условиях облачности
рассмотрим на примере наиболее холодного месяца в отопительном сезоне
в Ашхабаде.
Матрица исходных данных о почасовом поступлении действительных сумм
солнечной радиации на отдельные ограждения в январе дана в табл. 1.5, а экспе-
риментальные результаты представлены на рис. 1.7.
По каждому из рассмотренных вариантов воспроизведены данные о суточ-
ных значениях приведенной солнечной облученности, экстремумах суточного
хода, абсолютной и относительной амплитудах, а также о среднечасовых зна-
29
Таблица 1.4. Энергетическая эффективность объемных элементов зданий
в поле суммарной солнечной радиации по средним
многолетним данным при действительных условиях облачности (Карадаг)
Среднегодовые значения Отопительный период
Вари- ант Индене эффек- тивно- сти Qnp- Вт/ м Ориентация и процентный вклад облучаемых ограждений Вари- ант Индекс эффек- тивно- сти Qnp- Вт/м- Ориентация и процентный вклад облучаемых ограждений
5.1 1 3916 П(100%) 3.1 1 3277 Ю(100%)
14.3 11 3742 Ю(25%) + П(75%) 8.5 11 2789 Ю(75%) + 3(25%)
14.2 111 3681 Ю(33%) + П(67%) 7.3 III 2783 Ю(75%) + В(25%)
14.1 IV 3568 Ю(50%) + П(50%) 14.1 IV 2647 Ю(50%) + П(50%)
13.3 V 3506 В (25%) + П(75%) 8.4 V 2626 10(66,7^, 1 + 3(33,3%)
21.2 VI 3359 В(16,7% +3(16,7% + +П(66,6%) 7.2 VI 2618 Ю(66,7%) + В (33,3%)
15.2 VII 3349 3(33,3%) + П(66.7%) 14.2 VII 2438 Ю(33,3%) + П(66,7%)
17.3 VIII 3332 В(25%) + Ю(25%) + +П(50%) 28.2 VIII 2380 В(10%) + Ю(40%) + + 3(10%) + П(40%)
28.3 IX 3324 В(10%) + Ю(40%) + + 3(10%) + П(40%) 17.4 IX 2378 Ю(40%) + В(20%) + -р П(40%)
18.3 X 3317 Ю(25%) + 3(25%) + + П(50%) 14.3 X 2333 Ю(25%) + П(75%)
чениях этого показателя за световой день и в суточном цикле. Такого рода дан-
ные необходимы для прогнозирования осредненной теплопроизводительности
гелиотехнических ограждений зданий, а также для расчетов режима теплопе-
редачи и аккумулирования тепловой энергии.
Анализ данных о суточном ходе приведенной облученности показывает, что
наиболее солнечная в январе квартира южной ориентации (вариант 3.1) полу-
чает в среднем в 2,18 раза больше лучистой энергии, чем эталонный куб, в то же
время ее амплитуда приведенной облученности больше, чем у эталона, в 2,71 ра-
за. Следующая группа гелиоблоков рядового этажа юго-восточной и юго-запад-
ной ориентации (варианты 7.3, 8.5, 7.2, 8.4, 21.2) имеет также высокие показа-
тели среднечасовой обеспеченности солнечной энергией —в 1,83—1,71 раза
выше эталона. При этом суточная амплитуда наименьшая у трехфасадного
гелиоблока (21.2). Незначительно (на 2%) уступает им по среднечасовой при-
веденной облученности в январе южная квартира верхнего этажа (вариант
14.1). Однако последнему варианту следует отдать предпочтение в том случае,
если предусматривается круглогодичное (или летнее) приготовление горячей
воды на солнечной энергии, так как среднегодовые и особенно летние показа-
тели обеспеченности солнечной теплотой у этого варианта существенно более
высокие и по относительной облученности превышают соответственно на 27,4%
и 40,2% показатели варианта 14.1.
1.1.5. Годовая и междусуточная изменчивость поступлений солнечной ра-
диации к ограждениям зданий. Универсальный показатель относительной
обеспеченности солнечной энергией и показатели сопоставимых тепловых затрат
объекта. Оценка изменчивости поступления сумм солнечной радиации через
равные повторяющиеся периоды к ограждениям здания относится к числу важ-
нейших характеристик гелиоэнергетики, так как от нее зависит выбор типа сис-
темы солнечного отопления и надежность работы системы. В табл. 1.6 приведены
данные о поступлении прямой солнечной радиации на стену южной ориентации
с обеспеченностью 10,5 и 1%, заимствованные из работы [6]. Сопоставление
средних многолетних сумм с величинами, которые возможны один раз в 10, 20
и 100 лет, а также среднеквадратичные отклонения, достигающие в отопи-
тельном сезоне 30, 40% и более (см. табл. 1.6), убеждают в целесообразности
применения комбинированных систем солнечного отопления с использованием
дублера в виде одного из традиционных решений.
30
Вопрос об изменчивости сумм
солнечной радиации, поступающей к
ограждениям здания, можно рас-
смотреть более детально на примере
Карадага. Исследованию подверга-
лись данные наблюдений суммарной
солнечной радиации за период с 1956
по 1976 г. Частично полученные нами
результаты статистической обработ-
ки (1961—1970) представлены в таб-
лицах 1.7 и 1.8. Наряду с характери-
стиками межгодовой изменчивости
получены данные о внутримесячной
(подекадной) изменчивости суточ-
ных сумм за рассмотренный период.
В целом актинометрические дан-
ные представлены в справочной лите-
ратуре и хранилищах информации в
виде больших массивов числовых ве-
Теплый период
Вари- ант Индекс эффек- тивно- сти Вт/мг Ориентация и процентный вклад облучаемых ограждений
5.1 I 5815 (П100%) 13.3 II 5174 В(25%) + П(75%) 14.3 III. 5152 Ю(25%) + П(75%) 15.3 IV 5138 3(25%) + П(75%) 30.1 IV 2634 С(25%) + В(25%) + + Ю(25%) +3(25%) 23.1 V 2477 С(33,3%) + В(33,3%) + + Ю (33,3 %) 22.1 VI 2459 С (33,3%) + В (33,3%) + + 3(33,3%) 10.1 VII 2090 С(50%) + Ю(50%) 9.1 VIII 2062 С(50%) + 3(50%) 1.1 IX 1019 С(100%)
личин разной размерности, что за-
трудняет их сопоставление и прямое использование в строительной гелиотехни-
ке. Так, в строительной климатологии солнечная радиация обычно давалась
в ккал/(м2- ч) [7, 8], в актинометрической литературе [1, 4, 6, 7, 9—11] чаще
употребляют размерность кал/(см2- ч, сут, мес, год). Американские, канадские
и другие зарубежные метеорологи применяют единицу 1у=кал/см2 [1, 9, 10],
а гелиотехники — БТЕ/(ч- фут2). Еще труднее сопоставлять эту разноразмер-
ную информацию с тепловыми потерями зданий, находящихся в близких клима-
тических условиях, например, на севере США и в городах Средней Азии или
Приморья.
Для преодоления указанных трудностей автором предлагается единый пока-
затель относительной обеспеченности солнечной энергией облучаемых объектов.
В качестве такого показателя может служить отношение энергооблученности
солнечной радиацией единицы поверхности объекта (здания, сооружения и т. д.)
Табл ица 1.5. Суточный ход солнечной облученности ограждений зданий (Ашхабад),
ориентированных по основным странам света, по средним многолетним данным
при действительных условиях облачности в январе (исходная матрица
локальных значений солнечной энергии)
Индекс облучаемого ограждения 1 Облученность суммарной солнечной радиацией отдельных ограждений. Вт/м2 по часам суток
1 1 2 3 1 4 1 5 1 6 1 7 8 9 '° 1 11 12
1 0 0 0 0 0 0 0 0 31 41 42 40
2 0 0 0 0 0 0 0 144 351 349 262 136
3 0 0 0 0 0 0 0 77 309 444 543 616
4 0 0 0 0 0 0 0 0 21 33 41 53
5 0 0 0 0 0 0 0 29 116 209 267 326
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
1 40 42 40 33 0 0 0 0 0 0 0 0
2 53 42 31 22 0 0 0 0 0 0 0 0
3 616 552 430 320 79 0 0 0 0 0 0 0
4 136 265 337 363 149 0 0 0 0 0 0 0
5 356 308 221 126 58 6 0 0 0 0 0 0
1 Индекс ограждения — то же, что в табл. 1.3
31
кквл/(»гг)
4
Рис. 1.7. Суточный ход приведенной солнечной облученности зданий и объемных элементов (гелио-
квартир) при действительных условиях облачности по средним многолетним данным (Ашхабад,
январь). Пространственная ориентация вариантов 1.1, 1.2, ... 31.1 показана в табл. 1.2 (слева —
абсолютная приведенная облученность объектов; справа — то же, относительная в % от облучен-
ности эталонного куба в тех же условиях)
а — однофасадные квартиры (31.1 — эталонное здаиие-куб); б — двухфасадные гелиоблоки рядо-
вого этажа северо- и юго-восточной ориентации; в — двухфасадные гелиоблоки рядового этажа
юго-западной ориентации; г — двухфасадиые квартиры рядового этажа, угловая (северо-запад),
широтная и меридиональная рядовой секции; д — двухфасадные (стена + покрытие) гелиоблоки
верхнего этажа северной и восточной ориентации; 2.1 — границы области вариаций облученности
восточных квартир верхнего этажа; е — то же, южной ориентации; 3.1 и 5.1 — границы области
вариации облученности южных квартир верхнего этажа; ж — двухфасадиые (стена + покрытие)
гелиоблоки западной ориентации; 4.1 и 5.1 — границы области вариации облученности западных
квартир верхнего этажа; з — трехфасадные квартиры верхнего этажа северо- и юго-восточной
ориентации (С + В + П; Ю-|-В-|-П); и — то же. юго- и северо-западной ориентации (Ю+З + П;
С+З + П); к — то же, широтной и меридиональной ориентации (С-|-Ю-|-П; В+З + П); л — трех-
фасадные квартиры, торцевые секции рядового этажа; м — четырехфасадные торцевые секции
верхнего этажа; рядовая секция дома-башни (30.1) и эталонное здаиие-куб с пятью облучаемыми
ограждениями
в единицу времени к энергооблученности такой же единичной плоской площад-
ки, перпендикулярной солнечным лучам и вынесенной за пределы атмосферы
планеты, выраженное в процентах от солнечной постоянной:
1 Сс
70=—е-2-“Ю0%.
т ^const
(1.19)
где Qc — суммарная солнечная радиация, поступающая на поверхность облучаемого ограждения
площадью AF за отрезок времени т, выраженная в любых единицах; Q® consi - солнечная постоян-
ная, выраженная в тех же единицах.
В связи с тем, что значение солнечной постоянной для гелиотехнических
расчетов стандартизировано международным соглашением, оценка энергетиче-
ской обеспеченности сооружений или отдельных ограждений в процентах от
солнечной постоянной приобретает универсальность для всех систем единиц,
принятых на разных континентах, а в космическом строительстве — примени-
тельно к орбитальным (околоземным) и лунным объектам.
33
Рис. 1.8. Комплексная актиноклиматологическая характеристика метеоусловий в Москве (а, в, д,
ж, и) и Ашхабаде (б, г, е,з, к) для расчета среднемесячных значений теплового баланса гелиотехни-
ческих ограждений зданий в отопительном сезоне
а, б — годовой ход при трех значениях облачности: 1 — «ясно»; 2 — «полуясио»; 3 — «пас-
мурно»; в, г — сезонный ход при различных атмосферных явлениях (4 — дождь, 5 — снег, 6 — ту-
ман, 7 — снежиый покров); д, е—взаимосвязь суммарной радиации и температуры наружного
воздуха при трех значениях облачности; ж, з — среднемесячные значения температуры наружного
воздуха /| 2 скорости ветра v, 2 и солнечной радиации Qi 2 при ясном (индекс 1) и пасмурном (ин-
декс 2) небе; и, к — взаимосвязь скорости ветра и температуры наружного воздуха при трех значе-
ниях облачности
Рис. 1.10. Зависимость изменения энергии
ветра w/w0 и плотности атмосферы р/ро от
температуры t относительно стандартной
атмосферы плотностью рг,—1,225 кг/м3
Рис. 1.9. Зависимость уменьшения энергии
ветра w/wi; от высоты над уровнем моря h
вследствие изменения плотности атмосферы
по отношению к стандартной ее плотности на
уровне моря p(i= 1,225 кг/м3
34
Таблица 1.6. Средние суточные суммы прямой радиации, Вт/м2, равные или выше (1)
и равные или ниже (2) различной обеспеченности, %, поступающей на стену южной
ориентации (по 3. И. Пивоваровой)
Город Месяц Обеспеченность Средняя много- летняя сумма Среднее квадратичное отклоне- ние, %
1% 5%
I'2” 1 1 2 ' 1 2
1 4779 2454 4443 2791 4257 2977 3617 43
Влади- IV 1872 1012 1745 1140 1686 1198 1442 16
ВОСТОК VII 814 116 702 221 663 268 465 13
X 3594 1640 3303 1931 3151 2082 2617 36
I 2279 116 1965 430 1791 605 1198 40
Карадаг IV 2710 593 2396 907 2333 1070 1651 39
VII 1710 1012 1605 1116 1558 1163 1361 13
X 3815 1047 3408 1454 3187 1675 2431 51
I 1035 872 582 779 151 465 21
Ленинград IV 2942 663 2605 1000 2431 1175 1803 42
VII 2582 744 2314 1012 2175 1151 1663 34
X 1582 233 1384 430 128 535 907 25
I 3361 547 2954 954 2733 1175 1954 52
IV 2454 733 2210 977 2070 1116 1593 32
Ташкент VII 1710 1175 1628 1256 1593 1175 1442 10
X 4245 1872 3896 2221 3710 2427 3059 44
I 2477 640 2210 907 2070 1046 1558 34
IV 2210 535 1965 779 1838 907 1372 31
Тбилиси VII 1326 675 1233 768 1175 826 1000 12
X 3547 942 3163 1326 2966 1524 2245 48
I 2000 465 1710 337 1558 488 1023 36
Форт- IV 2861 861 2570 1151 2427 1314 1861 37
Шевченко VII 1605 907 1500 1012 1454 1058 1256 13
X 3710 896 3303 1303 3082 1524 2303 52
Рис. 1.11 Вероятность скоростей ветра по
градациям по данным многолетних наблю
дений на мысе Лопатка Камчатской области
171-
Рис. 1.12. Зависимость параметра m от ско-
рости ветра
1 — Киев; 2 — Новосибирск; 3 — Ленинград;
4 — Обнинск (по Борисенко)
35
Таблица 1.7.
Межгодовая изменчивость средних
за месяц суточных сумм суммарной радиации,
поступающей на горизонтальное покрытие,
в феврале и июле в Карадаге в девятилетием
ряду наблюдений при действительной
облачности (1961 —1970)
Месяц Q„, Вт/м2 1Q при обеспеченности
0.9 0.99
Февраль 1663 ±130 ±236
Июль 6733 ±122 ±221
Таблица 1.8. Внутримесячная изменчивость
средних за декаду суточных сумм суммарной
солнечной радиации, поступающей
иа горизонтальное покрытие в феврале
и июле в Карадаге в девятилетием ряду
наблюдений при действительных условиях
облачности (1961 —1970)
Период осреднения Вт/м2 AQ при обеспеченности
месяц | д екада 0,9 | 0,99
Февраль I 1469 ±137 ±249
II 1729 ±265 ±480
111 1508 ±381 ±690
Июль I 6666 ±288 ±522
II 6854 ±213 ±385
III 6683 ±226 ±409
Для удобства теплотехнических сопоставлений можно также предложить
оценивать в процентах от солнечной постоянной энергию тепловых затрат зда-
ний с частичным или полным солнечным отоплением (кондиционированием):
от, (кон) 1 о , _ _
Ч=у° ’ (1-20)
“const
а также достигаемый уровень солнечного энергозамещения тепловых потерь:
1 0с (К.П.Д.)
7®,зам-;~р^ 100%- (1.21)
const
где q — тепловой поток через ограждение здания (сооружения) площадью А7 в отрезок времени т;
(к.п.д.)уст — коэффициент полезного действия солнечной установки (гелиоограждеиия здания).
1 .1.6. Исследование обобщенного влияния климатических факторов на сол-
нечный режим зданий. Комплексная актиноклиматологическая характеристика.
Энергетическая целесообразность экспериментального или серийного строи-
тельства гелиотехнических зданий в том или ином районе выявляется на основе
анализа солнечных энергоресурсов и сопутствующих климатологических фак-
торов, непосредственно влияющих на тепловой баланс системы наружных
ограждений. В комплексную актиноклиматологическую характеристику усло-
вий региона помимо солнечной радиации входят данные о суточном и сезонном
ходе облачности, о температуре и влажности воздуха, скорости ветра, осадках
и туманах, что обеспечивает возможность статистического анализа указанных
величин.
Статистически достоверную взаимосвязь таких важнейших характеристик
климата, как температура наружного воздуха и ветер, с поступлением дейст-
вительных сумм солнечной радиации для обеспечения контрастной репрезента-
тивности целесообразно исследовать на примере двух городов с различным
климатом и обеспеченностью солнечной энергией, а именно, Москвы и Ашха-
бада. Поскольку рассмотренные выше факторы климатических воздействий на
здание повторяются в различных сочетаниях, изучение их взаимосвязи пред-
ставляет большой интерес для строительной гелиотехники. Комплексные харак-
теристики двух и более элементов климата — температуры наружного воздуха,
скорости ветра, облачности и солнечной радиации — особенно важны, потому
что совмещение этих факторов усиливает или ослабляет их взаимодействие.
Методически изучение совместной повторяемости суммарной солнечной ра-
диации, температуры воздуха t и скорости ветра v при различных состояниях
36
облачности заключается в отборе и обработке актинометрических данных и
результатов метеонаблюдений при их совместном проявлении. В связи с этим
материал многолетних метеонаблюдений (на примере Москвы и Ашхабада) был
распределен в зависимости от условий облачности в соответствующем районе
по градациям: «ясно» — облачность 0—2 балла; «полуясно» — облачность
3—7 баллов; «пасмурно» — облачность 8—10 баллов. Данные метеонаблюде-
ний рассматривались в пределах отопительного периода. В качестве исходных
данных принимались среднесуточные значения температуры воздуха, скорости
ветра и солнечной радиации.
Задача заключалась в определении средней многолетней скорости ветра по
месяцам отопительного сезона и среднемесячной интенсивности суммарной сол-
нечной радиации отдельно для каждого интервала среднемесячной температуры
наружного воздуха (AtH=2°C), а также в оценке повторяемости сочетаний тем-
пературы воздуха, скорости ветра и суммарной солнечной радиации в условиях
явного, полуясного и пасмурного неба. Это позволило количественно опреде-
лит'. значение комплексной климатологической величины, выражающей совме-
стное действие температуры воздуха, скорости ветра и солнечной радиации
в зависимости от различных условий облачности (рис. 1.8) [6].
Анализ полученных данных позволяет выявить некоторые практически важ-
ные для работы гелиотехнических зданий соотношения:
среднемесячным более высоким значениям суммарной радиации соответст-
вуют в среднем более высокие температуры наружного воздуха, однако и самые
низкие расчетные зимние температуры наблюдаются также при ясном небе, т. е.
при этом возможна одновременная компенсация тепловых потерь зданий за счет
поступающей к ним солнечной радиации (при наличии солнечных ловушек и
других гелиотехнических элементов ограждений);
температура воздуха при безоблачном небе в отопительном сезоне в среднем
на 3—5° выше, чем при пасмурном небе, а суммарная радиация во все месяцы
отопительного сезона соответственно при пасмурном небе в 2 раза ниже, чем
при ясном;
взаимосвязь скорости ветра и состояния облачности имеет невысокую кор-
реляцию: в Ашхабаде скорость ветра при ясном и пасмурном небе практически
совпадает, а в Москве в первом случае она оказывается лишь на 1—2 м/с выше,
чем во втором.
Проведенные выше отбор, обработку и анализ многолетних данных актино-
и метеонаблюдений для двух городов можно рассматривать как попытку раз-
работать методическую основу для оценки комплексной климатологической
характеристики других городов, необходимой на стадии решения вопроса о целе-
сообразности гелиотехнического строительства в том или ином районе, включая
помесячно осредненный дефицит теплоты в отопительном сезоне и характе-
ристики солнечного облучения.
1. 1.7. Ситуационная характеристика эффективного солнечного энерго-
замещения тепловых потерь зданий. Соотношение солнечной энергообеспечен-
ности здания или его частей с другими факторами климата, все многообразие
возможных случаев соотношения расхода и поступления энергии в различных
регионах планеты принципиально сводится к следующим ситуациям:
I — солнечной энергии, поступающей к зданию в отопительном сезоне, доста-
точно (с учетом реального к.п.д. гелиотехнической системы ограждений) для
отопления всего проектируемого полезного объема здания по оценкам, основан-
ным на средних многолетних (статистически достоверных) данных;
II — этой энергии достаточно для отопления отдельных объемных элементов
или ячеек здания с ограждениями энергетически выгодных ориентаций и их со-
четаний;
II I — солнечной энергии недостаточно для возмещения тепловых потерь
здания в целом или объемных элементов энергетически наиболее обеспеченных
37
ориентаций, однако дефицит может быть покрыт концентрированной подачей
к объекту дополнительной солнечной энергии в солнечные дни отопительного
сезона;
I V — солнечной энергии недостаточно; дефицит солнечной теплоты в ото-
пительном сезоне может быть покрыт лишь с использованием межсезонной
аккумуляции солнечной энергии;
V — солнечная энергия в отопительном сезоне к зданиям и сооружениям не
поступает, и возможна лишь летняя аккумуляция солнечной энергии, в том числе
с использованием эффективных концентраторов различных систем.
Технические решения солнечного энергозамещения тепловых потерь строи-
тельных объектов, адекватные сформулированным ситуациям гелиоклимата,
целесообразно представить в виде следующих основных направлений:
разработка зданий и сооружений, весь полезный объем которых отапли-
вается (термостатируется) с использованием солнечной энергии (ситуация !);
разработка в системе проектируемых и строящихся зданий либо реконст-
рукция в эксплуатируемых зданиях объемных микроячеек (квартира, секция,
надстройка, часть здания) с одно-, двух-, трех- и четырехфасадным облучением
(ситуации I и II);
соединение в комплексах двух и более функционально разнотипных зданий,
одно или часть из которых отапливаются с использованием солнечной энергии,
а другие не отапливаются или не требуют использования солнечной энергии
(ситуация II—V);
использование отдельных ограждений зданий и сооружений из числа бли-
жайших к гелиотехническому объекту (тоже зданию, сооружению) в качестве
переотражателей (концентраторов) солнечной энергии с целью дополнитель-
ного облучения объекта (ситуации II—V);
создание гелиопоселков или микрорайонов города с единой или мультипли-
цированной системами солнечного термостатирования (ситуации I—III);
разработка зданий или комплексов с пообъектным или централизованным,
в том числе межсезонным аккумулированием солнечной теплоты (ситуа-
ции III—V).
Подчеркнем, что с учетом рассматривавшейся ранее межгодовой и внутри-
месячной изменчивости поступления солнечной энергии, как правило, все
системы солнечного обогрева и охлаждения строительных объектов необходимо
снабжать отопительным дублером.
1.2. Энергия ветра
Н. П. Селиванов
1.2.1. Общая характеристика ветра как возобновляемого источника энергии
[12—15]. Ветер, или перемещение масс относительно поверхности Земли,
возникает вследствие неравномерного распределения атмосферного давления
и обусловлен особенностями формирования температурного режима различных
регионов. Ветер направлен в сторону понижения атмосферного давления и
определяется той стороной горизонта, откуда перемещается воздушный поток.
Ветер является носителем механической (кинетической) и тепловой энергии.
На формирование потоков ветра влияют глобальные и региональные факторы.
Ветер как энергетический фактор представляет собой производную от сол-
нечной энергии. Часть поступающей на планету лучистой энергии Солнца, ко-
торая преобразуется в кинетическую энергию ветра, оценивается величиной
2700 ТВт. Из этой энергии на высоту до 100 м над поверхностью Земли, т.е. на
зону возможного или фактического расположения строительных объектов,
включая высотные, приходится не более 25%. Общий ветровой энергетический
38
потенциал континентов, который гипотетически можно когда-либо реализовать,
с учетом неизбежных потерь составляет до 40 ТВт. Для сравнения отметим, что
общее потребление энергии человечеством на данном этапе составляет 10 ТВт.
К важнейшим глобальным факторам следует отнести неравномерную обеспе-
ченность солнечной энергией экваториальной и полярной зон планеты, различия
в формировании радиационного и теплового балансов над поверхностью мате-
риков и океанов, вращение Земли и угол наклона оси вращения Земли к эклип-
тике. Под влиянием этих факторов формируются глобальные устойчивые или
сезонно изменяющиеся воздушные течения, а также другие динамические про-
цессы изменения характера и направленности воздушных потоков в атмосфере.
К региональным факторам, влияющим на формирование локальных воздуш-
ных течений и определяющим их высокую изменчивость, следует отнести рельеф
местности и наличие водоемов в пределах рассматриваемого региона или при-
брежных зон раздела суши и моря. При этом скорость ветра как одна из важней-
ших характеристик энергии воздушного потока существенно зависит от совпа-
дения или несовпадения направленности общих и местных циркуляционных про-
цессов в атмосфере, а также от характера рельефа местности.
Здания различной этажности с учетом характера и плотности застройки
представляют собой антропогенный фактор изменения рельефа местности и сами
влияют не только на изменение скорости и направления ветра у поверхности
Земли, но и на высотное распределение этих параметров в приземном слое.
1.2.2. Мощность ветрового потока. Ветровой поток, проходящий через
сечение площадью F со скоростью v, имеет мощность
P = Fv(pv2/2)= (l/2)pFv3 (1.22)
и удельную мощность
Руд =Р/С= (1/2) р^3, (1.23)
где р— плотность воздуха; рц2/2— кинетическая энергия.
Энергия ветра, отнесенная к единице площади земной поверхности, может
быть определена по формуле
w =Р kt (1-24)
уд уд ’ ' 7
где А/ — время, ч; Руд — удельная мощность ветра на единицу площади, Вт/м2.
Энергия ветра изменяется под влиянием многих факторов, к числу которых
относятся колебания плотности атмосферы в зависимости от температуры и вы-
соты над уровнем моря, шероховатости подстилающей поверхности и т. д. Кроме
того, на результаты определения энергии ветра существенно влияет точность
отсчета показаний прибора, тип и расположение анемометра, репрезентатив-
ность условий площадки, выбранной для измерения скорости ветра. Изменение
энергии ветра вследствие изменения плотности воздуха в зависимости от высо-
ты местности над уровнем моря и колебания температуры воздуха по данным
США показаны на рис. 1.9—1.10.
Следует отметить, что неточность в оценке скорости ветра на 1,0— 1,2 м/с для
диапазона скоростей 3—6 м/с может привести к ошибке в оценке энергии ветра,
достигающей 100% и более.
Ветер оказывает на здания и сооружения динамические воздействия и созда-
ет статическую нагрузку. Статическая ветровая нагрузка может быть опреде-
лена как величина, нормальная к поверхности конструктивного элемента соору-
жения, по формуле
Q = Cxq, (1.25)
где Сх — аэродинамический коэффициент лобового сопротивления сооружения; q= (' /2) mv1 — дав-
ление ветра, или скоростной иапор ветра. При нормализованных температуре воздуха 15° С,
атмосферном давлении 101,325 кПа и плотности р= 1,225 кг/м3 q=v2/lf>.
39
Территория СССР районирована по скоростным напорам ветра, при этом
в основу положены нормативные скоростные напоры ветра, которые определены
по формуле
<7Н=^2/16’ (1.26)
где
а = 0,75 + 5/^- (1.27)
Здесь и5 — расчетная скорость ветра, возможная раз в пять лет.
Такой подход к оценке ветровых воздействий на здания целесообразен с по-
зиций определения надежности, но не дает объективной информации о ветро-
энергетических ресурсах объекта. Для инженерных оценок ветроэнергетиче-
ских ресурсов зданий и сооружений и их оптимизации необходима следующая
достоверная (вероятностная) информация:
о распределении скоростей ветра во временных интервалах и по направ-
лениям;
о степени соответствия справочных данных по региону, полученных в резуль-
тате статистической обработки материалов наблюдений различной длительности
на той или иной метеостанции, фактическим характеристикам ветра в отдельных
микрорайонах региона с учетом характеристик микрорельефа и их изменений,
вносимых комплексами возводимых зданий;
о высотном распределении скоростей и вертикальной экстраполяции ветра.
Информация о суточном ходе, а также о вероятностном распределении ско-
ростей ветра по направлениям и по временным интервалам (в пределах каждого
месяца или суток) содержится в Справочнике по климату СССР [5]. Так,
повторяемость скоростей ветра 3—5 м/с, благоприятных для работы ветроуста-
новок в условиях Камчатской области на побережье и Командорских остро-
вах, составляет 60—75%, достигая в отдельных пунктах (мыс Лопатка) 84,5%
(рис. 1.11). Из этого можно сделать вывод о природной предрасположенности
региона к использованию энергии ветра. Однако применять информацию из
Справочника в инженерных, в том числе оценочных, расчетах энергетических
ресурсов того или иного строительного объекта следует с учетом поправочных
коэффициентов К, принимаемых, например, из табл. 1.9, составленной Е. Н. Ро-
мановой по данным С. А. Сапожниковой и И. А. Гольцберг [13].
Если высота сооружения превышает 10 м, то ветровой напор определяется
по формуле
= (1.28)
где Кг — коэффициент пересчета ветрового напора на другие высоты, п — коэффициент перегрузки;
Р — коэффициент пульсации ветрового напора и динамичности конструкции; q — ветровой иапор
иа высоте 10 м.
Для высотных сооружений ветровую нагрузку определяют и суммируют по
частям и по высоте, используя формулу
Q = n S CxKzPqS, (1.29)
где S — проекция площади высотного участка сооружения или его отдельного элемента в выбран-
ном высотном интервале на плоскость, перпендикулярную направлению ветра Коэффициент Кг
достаточно корректно определяется в интервале высот до 100 м по изменению скоростей ветра и на
современном этапе охватывает всю область высот, практически необходимую для разработки ветро-
энергоактивиых зданий.
Вертикальные профили скоростей и скоростных напоров ветра для мало-
этажных зданий до высоты 15—20 м могут быть определены по формуле
Inz. - lnz„
v =и —----------У-
Z 1 Z In Z - In Zq
где v2, но, — скорости ветра на высоте Z| и z, а параметр zo отображает влияние шероховатости
подстилающей поверхности.
(1.30)
40
Таблица 1.9.
Зависимость поправочного коэффициента К от рельефа местности для высоты 2 м (13]
Форма рельефа Время суток Значение К при скорости ветра на ровном месте, м/с
3—5 | 6-10
Открытое ровное место Вершины открытых возвышенностей: 1,0 1,0
более 50 м День 1,4—1,5 1,2—1,1
Ночь 1,8—1,7 1.5—1,4
менее 50 м ДгНЬ 1,3—1,4 1,1
Наветренные скло- Hti' (ф^Л-изной 3—' Ночь 1,7- 1,6 1.3—1,4
10°: верхняя часть День 1,2—1,3 1,0—1,1
Ночь 1,4—1,6 1,2—1,3
средняя » День 1,0—1,1 1,0
Ночь 1,0—1,1 1.1
нижняя » День 1,0 0,9—1,0
Параллельные вет- ру склоны крутиз- ной 3—10°: Ночь 0,8—0,9 1,0
верхняя часть День 1,2—1,1 0,9—1,0
Ночь 1,4- 1,3 1,0—1,1
средняя » День 0.9—1,0 0.9—0,8
Ночь 1,1 —1,0 1,0
нижняя » День 0,9—0,8 0,8—0,7
Подветренные скло- ны крутизной 3—10°: Ночь 1,0—0,9 0,8—0,7
верхняя часть День 0,9—0,8 0,8—0,9
Форма рельефа Время суток Значение К при скорости ветра иа ровном месте, м/с
3—5 6-10
средняя часть Ночь День 0,9—1,0 0,9—0,8 0.9—1.0 0,8—0,9
нижняя > Ночь День 1,0—1,1 0,8—0,7 0,9—1,0 0,7—0,6
Дно долин, лощин, оврагов, продувае- Ночь День 1,2—1,1 1,1 —1.0
мых ветром Ночь 1,5—1,3 1,3—1.4
Дно долин, лощнн, оврагов: не продувае- мых ветром День 0,8—0,7 0,7—0,6
замкнутых Ночь День 0,6 и ме- нее
Холмы с плоскими вершинами и поло- гими склонами кру- тизной 1—3°: вершины, верх- ние части на- ветренных и подветренных День 0,6 и ме- нее 1,2—1,4
склонов Ночь 1,3—1,5 —
средние и ниж- ние части та- День 0,8—1,1
ких склонов Ночь 1,0—1,3 —
Для более высоких сооружений изменение скорости ветра может быть опре-
делено по формуле
\ =^(zjzfn. (1.31)
где о, и v — средние скорости ветра на высотах z, и г; т — параметр, зависящий от шероховатости
подстилающей поверхности, скорости ветра, стратификации и турбулентности рассматриваемого
слоя .атмосферы (2t—г)
Параметр т — условная величина. Эмпирически установлены изменения зна-
чения т от 0,08—0,15 при неустойчивой стратификации до 0,6—0,8 при устой-
чивой стратификации атмосферы.
На рис. 1.12 показаны полученные М. М. Борисенко зависимости параметра
т от скорости ветра по данным для Киева, Новосибирска, Ленинграда, Обнин-
ска. Из рис. 1.12 видно, что параметр т при скорости ветра, близкой к 10 м/с,
в условиях открытой или слабо защищенной местности равен 0,1, а в условиях
многоэтажной застройки при скорости ветра более 10 м/с значение т возрас-
тает в 3 раза (до 0,3).
Влияние городской застройки на изменение параметра т можно проследить
по данным исследований Дайвенпорта [9]. Полученная им зависимость име-
ет вид
vz=v(zlzlm, (1-32)
где v2 — скорость ветра на высоте 2; vR — скорость геострофического ветра, соответствующая вы-
сотному уровню.
41
Осредненные значения т по Дайвенпорту для открытой ровной местности,
окраины и центра города приведены в табл. 1.10, там же показаны значения
уровня геострофического ветра zg.
Таблица 1.10
Параметрические значения т по Дайвенпорту
для профиля средней скорости ветра [13]
Характеристика подстилающей поверхности т г«- м
Открытая ровная местность 0,16 270
Лес, окраина города 0,28 390
Центр крупного города 0,40 510
Влияние динамической состав-
ляющей воздействия порывистого
ветра на сооружения изучено недо-
статочно для нормативных обобще-
ний, и при разработке наиболее чув-
ствительных к нему элементов зданий
или сооружений требуется экспери-
ментальная проверка путем модели-
рования процессов в аэродинамиче-
ской трубе или иными методами.
К таким элементам или агрегатам от-
носятся в первую очередь трансфор-
мируемые и ветроэнергоактивные
конструкции зданий. Практически важная задача заключается в определении
критического уровня динамических воздействий, при которых ветроактивный
элемент должен быть отключен или переведен в наиболее устойчивое и безопас-
ное положение.
Для выявления регионов, наиболее обеспеченных ветровой энергией, выпол-
няют зонирование территории по указанному параметру. Так, на рис. 1.13 пока-
зана карта распределения среднегодовой мощности ветра на территории США.
При этом необходимо помнить, что, например, при средней мощности ветра
в регионе, оцениваемой в 500 Вт/м2, ее фактические локальные значения в раз-
личных географических точках региона могут отличаться в 2—3 раза, достигая
на горных вершинах или в горных ущельях значений 1000—1500 Вт/м2. Для
регионов с выраженной сезонной изменчивостью социально-экономической
активности (санаторно-курортные зоны, северные порты с сезонной навигацией)
целесообразно расширение картографической и иной информации о сезонных
колебаниях обеспеченности ветровой энергией, а в пределах локального региона
(город, поселок, территория совхоза или колхоза) для решения практических
вопросов выбора наиболее обеспеченного ветровой энергией участка необхо-
димо проводить оценку рельефа местности по этому параметру или выполнять
рекогносцировочные аэрологические исследования, результаты которых долж-
ны включать карту ветроэнергоресурсов микрорайона.
Итак, основными расчетными факторами при оценке энергии ветра в конкрет-
ном регионе являются данные о скорости ветра, ее вертикальном спектре,
а также суточном и годовом ходе с учетом шероховатости подстилающей по-
верхности региона. Расчет энергии ветра должен производиться с учетом фак-
тического хода плотности воздуха в зависимости от температуры и атмосфер-
ного давления.
1.3. Геотермальная и гидротермальная энергия
Н. П. Селиванов
Гео- и гидротермальная энергия как источник тепло- и холодоснабжения
зданий [7, 8, 13—16] в настоящей работе рассматривается с позиций опреде-
ления энергетических характеристик водоносных или сухих слоев грунта в райо-
нах городской, промышленной или сельской застройки в различных климати-
ческих зонах и не связывается исключительно с районами, имеющими природные
42
выходы или легкодоступные ресурсы гидро- и геотермальной энергии повышен-
ного потенциала.
Поставленная в настоящей работе задача заключается в оценке и использо-
вании теплоэнергоресурсов земельных участков, прилегающих к зданиям
с естественным или улучшенным энергетическим потенциалом. При этом суще-
ственное значение имеют следующие факторы:
геологическое строение и характеристика температурного режима припо-
верхностного слоя, прилегающего к нему массива грунта и расположенных под
ним пород на глубину до 20 м от дневной поверхности;
водосодержание слоев грунта в окрестностях здания, степень извлекаемости
воды и ее температурное состояние;
теплоемкость и теплопроводность пород основания под зданием и в его окре-
стностях, включая водоносные и водонасыщенные слои;
температурный режим и извлекаемые в экологически безвредных масшта-
бах запасы теплоты из прилегающих к району застройки естественных или
искусственных водоемов;
длительность сезона отрицательной температуры и сезонные изменения
нулевой изотермы в грунте.
К основным теплофизическим параметрам почв как элемента теплоаккуму-
лирующего массива относятся объемная теплоемкость, тепло- и температу-
ро-проводность. Объемная теплоемкость ср грунтового массива представ-
ляет произведение удельной теплоемкости с на объемную массу р:
ср=ср (1.33)
и зависит от удельной теплоемкости твердой фазы и степени увлажнения. Удель-
ная теплоемкость твердой фазы определяется соотношением минеральной
части и химически связанной воды, а при наличии карбонатов и органических
веществ — их содержанием.
В грунтозаполненных массивных элементах энергоактивных зданий воз-
можно применение теплоаккумулирующих сердечников из предварительно вы-
сушенного грунта. Ниже приведены значения удельной теплоемкости различ-
ных видов грунтов и почв в сухом состоянии при положительной температуре
[16], кДж/(кг- К):
Песок . 0,754
Супесь 0,837
Суглинок 0,963
Чернозем . . 1,047
Торф’............................ 2,177
Каштановая почва. . 0,837
В табл. 1.11 даны значения удельной теплоемкости почв в зависимости от
глубины слоя.
Влияние изменения плотности и
влажности грунта на удельную теп-
лоемкость в реальных условиях не-
гидроизолированных слоев в ограж-
дениях и аккумуляторах показано
в табл. 1.12 [16].
Дальнейший рост теплоемкости
Таблица 1.11. Удельная теплоемкость почв,
кДж/(кг - К), в зависимости от глубины слоя
Глубина слоя h, см Темно-каштановая почва Чернозем
0 20 0,741 0,833
140 -160 0,783 0,896
пропорционален увеличению водо-
содержания грунта и достигает максимальных значений при полном водонасы-
щении. Влияние температуры на теплоемкость грунтового массива незначитель-
но, и при изменении температуры в диапазоне от —20 до +60°С теплоемкость
возрастает на 10—15%. Таким образом, основным инженерным средством повы-
шения теплоемкости грунтового массива следует считать увеличение его водо-
содержания.
43
Таблица 1.12. Удельная теплоемкость
грунтов в условиях естественной увлажненности и плотности
Г руит Удельная теплоемкость, кДж/(кг- К)
в сухом состоянии в реальных условиях
Супесь 0,837 1,884—2,386
Суглинок 0,963 2,345-2,512
Чернозем 1.047 2.512—2,680
Торф 2,177 ' 2,931—4,187
Каштановые почвы 0,837 2,428—2,596
зернистого песка приводит к увеличению
Теплопроводность грунта су-
щественно зависит от дисперсно-
сти, плотности, влажности и в
меньшей степени — от температу-
ры. Изменение температуры в диа-
пазоне от —50 до +50°С отража-
ется на межпоровой конвекции
и излучении и может изменить
коэффициент теплопроводности на
20%, в то время как изменение
влажности песка на 20% в диапа-
зоне от 10 до 30% может увели-
чить теплопроводность болееччем:
в 2 раза. Точно гак же увеличение
размера зерен от пыли до крупно-
теплопроводности в 2 раза. Влияние
структурного фактора на теплопроводность объясняется важной ролью контакт-
ной составляющей передачи теплоты. Применительно к грунтовым аккумулято-
рам теплоты необходимо отметить, что с увеличением плотности трамбования
грунта увеличивается теплопроводность массива и улучшается протекание теп-
лообменных процессов при эксплуатации. На рис. 1.14 показаны зависимости
коэффициента теплопроводности песчаных и глинистых грунтов от их влажности
и плотности по данным экспериментальных исследований [16].
Для инженерных целей зависимость теплопроводности от плотности грунта
может быть определена по формуле
х = х0 [1 + Нр-р0)]>
(1.34)
где ко — теплопроводность грунта плотностью р0; £ — эмпирический коэффициент.
Динамика роста коэффициента теплопроводности при увлажнении средне-
дисперсных и крупнодисперсных грунтов такова: вначале идет очень быстрый
рост теплопроводности вследствие замещения в порах малотеплопроводного воз-
духа высокотеплопроводной водой, а после насыщения пор рост коэффициента
теплопроводности прекращается. В слабодисперсных грунтах вначале коэффи-
циент теплопроводности изменяется слабо, пока воды не хватает для полного
обволакивания массы частиц или образования системы водяных мостиков повы-
шенной теплопроводности, затем нарастание теплопроводности интенсифици-
руется (см. рис. 1. 14.). Изменение коэффициента теплопроводности по глубине
слоя в массиве грунта происходит в соответствии с изменениями плотности
и влажности и в'интёрвале глубин от 0,05 до 0,5 м может возрастать в отдельных
случаях в 3 раза.
Температуропроводность грунта как производная от теплопроводности по
объемной теплоемкости
<7 = */ср (1.35)
зависит от изменения этих величин, как видно из рис. 1. 15 (поданным А. Ф. Чуд-
новского).
В инженерной практике коэффициент теплопроводности грунтов можно вы-
числять по обобщенной эмпирической формуле [8]
<со + °’01 (w~ wj2 + mi Р+ту\ 1°'3, (1-36)
где mi, тг, тз, т4 — эмпирические коэффициенты (табл. 1. 13); р — плотность; Со — теплоемкость
грунта; IV'—влажность, %.
44
Из формулы (1. 36) можно получить эмпирическую формулу для расчета
коэффициента температуропроводности грунта:
а = [ту (W-т4)2 + т2 р + »j] 10'3. (1-37)
Основные теплофизические характеристики грунтов могут для практических
целей проектирования теплоаккумулирующих грунтонаполненных массивных
элементов энергоактивных зданий определяться на основе известных значений
плотности р и влажности W по номограммам, аналогичным номограмме
Е. А. Иконниковой [12], представляющим графическую интерпретацию формул
(1.36) и (1.37). Другие необходимые сведения о длительности и сезонном ходе
отрицательной температуры в грунте на различных глубинах и, в частности,
о появлении и изменениях нулевой изотермы и глубины промерзания (что
неидентично) могут быть получены из Справочника по климату СССР [5].
Таблица 1.13.
Эмпирические коэффициенты
в формулах (1.36) и (1.37)
для различных типов почв
Почва гл. Шч тл
Обыкновенный чернозем —0,013 3,1 1,21 20
Темно-каштановая —0.017 2.2 1.90 18
Основной характеристикой терми-
ческого режима почвы на глубинах
0,2—3,2 м является средняя месяч-
ная и годовая температура почвы,
полученная по данным многолетних
наблюдений на метеорологических
станциях по вытяжным термометрам.
Слой земли до 3,2 м включает
диапазон толщин, представляющих
практический интерес для энергоактивных зданий, работающих с использова-
нием геотермальной энергии низкого потенциала. Именно слой толщиной 1,5—
3 м по теплотехническим и экономическим соображениям может рассматривать-
ся как естественный аккумулятор легкодоступной и имеющейся повсеместно гео-
термальной энергии.
В табл. 1. 14 приведены значения среднемесячной и среднегодовой темпера-
туры воздуха и почвы на глубинах 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2 м в Петропавловске-
Камчатском. Из сопоставления приведенных данных следует, что с октября
по апрель, т. е. практически на протяжении всего отопительного периода, тем-
пература почв на глубине 0,8—3,2 м положительна и превышает среднюю тем-
пературу наружного воздуха. Такое же соотношение среднегодовых температур
наблюдается для всех указанных глубин почвы. Отсюда вытекает, что геотер-
мальную энергию низкого потенциала можно использовать следующим образом:
Т абл ица 1.14. Среднемесячные и среднегодовые температуры, °C, воздуха и почвы
на различных глубинах по данным многолетних наблюдений в Петропавловске-Камчатском |5|
Глубина почвы, м Среднемесячная температура, °C Среднегодо- вая темпера- тура. °C
ч 11 111 'V V VI | vil VIII | IX х XI XII
— — 8,4 —8,5 —5,4 —0,6 3,8 Воздух 8,6 12,6 13,5 10,2 4,8 — 1,7 —6,0 1,9
0,2 — 1,7 — 1,4 —0,8 -0,1 3,8 Почва 9,6 13,5 14,2 11,1 5,6 0,8 —0,5 4,5
0.4 -0,3 -0,5 —0,4 0,1 2,7 8,7 12,5 13,5 11,1 6,2 1,5 0,3 4,6
0,8 1,1 0,6 0,4 0,4 1,4 5,4 9,4 11,2 10,5 8,1 4,3 2,3 4,6
1,6 2,6 1,9 1,5 1,1 1,2 3,4 6,7 9,1 9,6 8,3 5,6 3,8 4,6
3,2 5,8 5,0 4,4 3,8 3,1 3,1 4,0 5,2 6,4 7,2 7,1 6,5 5,1
45
для снижения тепловых нагрузок на отопительную систему зданий, по край-
ней мере на протяжении части отопительного сезона, путем извлечения непрео-
бразованной теплоты низкого потенциала из грунта и подводки ее к наружным
ограждениям;
для расширенного использования геотермальной энергии низкого потен-
циала для тепло- и холодоснабжения зданий посредством систем с тепловым
насосом.
Эффективность использования геотермальной энергии может быть повыше-
на путем применения двухконтурных систем с расположением внешнего контура
в массиве грунта и назначения режима работы, обеспечивающего отбор тепло-
ты из массива в диапазоне температур, соответствующем попеременному замо-
раживанию и оттаиванию примыкающей к теплообменнику массы грунта, т. е.
в режиме фазовых превращений грунтовой влаги, а также применением инже-
нерных средств, повышающих энтальпию грунта в летний период.
Аналогично решаются вопросы оценки и использования в энергоактивных
зданиях низкопотенциальной теплоты гидротермальной энергии, рассматривае-
мой как энергия грунтовых вод в водонасыщенных слоях почвы. Эффективность
использования низкопотенциальной гидротермальной энергии в гидроэнерго-
активных зданиях существенно возрастает в районах расположения глубинных
термальных запасов воды, вызывающих дополнительный подогрев массивов
земли под зданиями.
Дополнительные сведения о максимуме и минимуме температуры, глубине
промерзания, датах наступления и продолжительности безморозного периода,
температурных амплитудах могут быть получены из Справочника по климату
СССР [5] либо путем проведения расширенных термогидрологических иссле-
дований района предполагаемого строительства энергоактивных зданий, в ко-
торых используются рассматриваемые виды возобновляемой энергии. Результа-
том такого рода рекогносцировочных исследований является развернутая ин-
формация о ресурсах тепловой энергии грунтового массива обследуемого уча-
стка, включая водосодержащие слои, а также о сезонных эволюциях энтальпии
и экологически безвредно извлекаемых (возобновляемых) запасах теплоты
или холода.
1. 4. Энергия тепловых выбросов
Н. П. Селиванов
К этой категории относятся непроизводительные затраты теплоты, возника-
ющие в системах отопления и других системах энергоснабжения зданий, а также
затраты, сопутствующие различным технологическим процессам. Тепловые вы-
бросы отрицательно сказываются на экономике, увеличивая общие энергозат-
раты антропогенных систем, а также наносят вред внешней экологической си-
стеме в виде тепловых и других сопутствующих загрязнений окружающей среды.
Классификация энергии тепловых выбросов возможна по отраслевой при-
надлежности, т. е. виду процесса, порождающего тепловые потери, типу тепло-
рассеивающей среды, оптимальным методам повышения экономичности за счет
снижения потерь при утилизации энергии и по другим критериям.
По отраслевой принадлежности можно выделить следующие тепловые
выбросы:
жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий и сооружений, сопут-
ствующие работе систем отопления, вентиляции, кондиционирования, горячего
водоснабжения, биологическим тепловыделениям и различного рода бытовым
и технологическим процессам, не связанным с работой промышленных печей
и аналогичных тепловых агрегатов;
46
плавильных печей, химических реакторов, автоклавов и других тепловых
агрегатов перерабатывающих и обрабатывающих отраслей промышленности
с интенсивными тепловыми процессами;
градирен, брызгальных бассейнов и других укрупненных централизованных
теплообменных агрегатов на промышленных предприятиях;
систем водяного охлаждения энергетических централей — ТЭЦ, ГРЭС, АЭС,
СЭС или ВЭС;
систем охлаждения ЭВМ и других электронных агрегатов и устройств;
систем активной солнцезащиты зданий, сооружений и мобильных установок;
остывающей продукции всех отраслей промышленности, связанных с тепло-
вой обработкой материалов или изделий;
от сжигания сопутствующего сырья или отходов производства в добываю-
щих .отраслях промышленности (газовой, нефтяной, лесной, торфяной) и отхо-
дов сельскохозяйственного производства; . .
от, саморазогрева или самовозгорания отходов горнодобывающей (уголь-
ной) и других отраслей промышленности;
технологических жидких и газообразных отходов, удаляемых через системы
канализации и вытяжной вентиляции;
остаточного разогрева отработанных нефтяных скважин;
подземных и других видов взрывов, осуществляемых в замкнутом объеме;
систем охлаждения генераторов энергии;
систем охлаждения и удаления отработанного вещества из двигателей ста-
ционарных установок и транспортных средств;
то же, испытательных стендов авиационных, ракетных и других двигателей,
ускорителей и пусковых агрегатов;
теплообменных агрегатов холодильных установок с закрытой циркуляцией
теплоносителя;
других систем охлаждения промышленных и иных агрегатов с экзотерми-
ческими технологическими процессами.
По виду процесса, порождающего тепловые потери, можно выделить:
высокотемпературные излучения при термоядерных процессах (управляемые
реакции синтеза легких элементов и деления тяжелых);
высокотемпературные излучения и инфракрасные излучения факелов, топок,
прожекторов, мощных ламп накаливания и аналогичных источников;
испарение и комплекс сопутствующих процессов тепломассопереноса с от-
крытой поверхности кипящих сред, при разливе и открытой транспортировке
металлов, неметаллических композиций (в том числе органических), кипящих
жидкостей, псевдоожиженных композиций, сыпучих или гранулированных ма-
териалов;
удаление в атмосферу газообразных продуктов горения с высокой энталь-
пией;
удаление нагретых отработанных сточных вод в систему внешней канализа-
ции;
остывание нагретой продукции на открытом воздухе;
теплопередачу во внешнее окружающее пространство через ограждающие
конструкции;
вынос теплого воздуха помещений в окружающее пространство через каналы
вытяжной вентиляции либо в результате эксфильтрации;
фазовые превращения теплоносителя в аккумуляторах тепловой энергии
и теплообменных устройствах.
По типу теплорассеивающих сред различаются:
примыкающие к источнику тепловыделений или находящиеся в окрестностях
(в зоне прямой видимости) конструктивные элементы тепловыделяющего и дру-
гих агрегатов, а также конструкции здания или сооружения, в котором распо-
ложен источник;
47
окружающая атмосфера;
примыкающие к источнику тепловыделений бассейны, отстойники, шламо-
накопители с водой или другими жидкостями, суспензиями, взвесями, водона-
сыщенными композициями;
грунтовой или иной литосферный массив основания, обваловки или иного
примыкания к источнику тепловыделений или объекту, в котором он распо-
ложен;
вакуум;
защитное силовое поле.
По методам повышения экономичности за счет снижения потерь или утили-
зации энергии тепловых выбросов перечисленные выше источники необходимо
подразделить на две группы:
группа А, для которой тепловые потери вредны, снижают эффективность
и экономичность технологического процесса (собственно процессы плавки, вар-
ки, горения или транспортировки теплоносителя с заданными параметрами).
Для этой группы основные конструктивные или технологические мероприятия
должны быть направлены в первую очередь на снижение тепловых потерь и лишь
частично — на утилизацию их неустранимой составляющей;
группа Б, для которой удаление и отбор теплоты от источника тепловыделе-
ний безвредны, полезны или необходимы (процессы остывания готовой продук-
ции, отбора теплоты уходящих газов или отработанных жидкостей, охлаждения
радиаторов теплообменников или защиты зданий от перегрева). Для этой груп-
пы основные мероприятия должны быть направлены на утилизацию теплоты
и возвращение ее в актив теплового баланса основного, смежных или других
объектов.
Основу методов снижения энергетических потерь тепловых выбросов со-
ставляют следующие мероприятия:
повышение компактности тепловых агрегатов и их блокировка, сокращение
протяженности коммуникаций теплоносителя;
концентрация каналов теплоносителя и их объединение в пакеты, одно-
родные по тепловому режиму;
повышение тепловой защиты тепловыделяющего объекта, переходных зон,
технологических, смотровых и иных проемов, вводов, иллюминаторов и анало-
гичных элементов;
изоляция от других объектов с повышенной теплоемкостью, теплопровод-
ностью и низким собственным тепловым потенциалом, находящихся в контакте
с неограниченной теплорассеивающей средой (атмо-, гидро- или литосферой).
Возможные методы утилизации энергии тепловых выбросов в системах энер-
гоактивных зданий могут быть систематизированы следующим образом:
размещение на пути уходящей теплоты экранирующего элемента, снабжен-
ного теплообменником и наглухо перекрывающего тепловой поток;
размещение теплообменника в виде системы обтекаемых элементов в пото-
ке теплоносителя с повышенным или пониженным содержанием теплоты;
размещение в стенках или в толще ограждений канала, по которому удаляют
в окружающую среду теплоноситель (газ, жидкость), в том числе с невысокой
энтальпией, элементов теплообменника в виде выступающих в канал и турбули-
зирующих поток ребер;
использование теплоты, уходящей от ограждений печей или конвейеров
термической обработки продукции, для тепловой доводки, например сушки
сырья и полуфабрикатов данного или скооперированного производства;
интенсифицированный обдув горячей продукции (слитки металла, прокат,
поковки, керамзитовый гравий) воздухом, направляемым затем в систему обо-
грева наружных ограждений смежного здания либо пропускаемым через тепло-
обменник подогревателя технологической воды (аккумулятор теплоты);
зигзагообразная в плане или по высоте компоновка конвейеров термической
48
обработки дискретной продукции или пакетная блокировка в трех измерениях
линейных конвейеров с непрерывной подачей продукции, не допускающей раз-
воротов или изгибов (например, непрерывная прокатка стеклокристаллических
материалов);
размещение конвейеров термической обработки или других протяженных
тепловыделяющих технических агрегатов тоннельного типа непосредственно под
ограждениями смежного производственного или иного обитаемого блока отап-
ливаемого здания или в контакте с ними;
прямое или осуществляемое через контактный разделительный элемент пле-
ночного типа охлаждение горячей продукции или полуфабрикатов потоками
жидкости (преимущественно воды), направляемой после нагрева в утилизатор
теплоты, либо размещение на необходимый период готовой продукции в жидкой
теплоотбирающей среде емкости утилизатора теплоты;
пропуск через дискретную массу полуфабрикатов (например, необожжен-
ный керамзитовый гравий) раскаленных газов из дымовой трубы скоопёриро-
ванного производственного предприятия с целью сушки и повышения энтальпии
полуфабрикатов перед основной операцией обжига.
Основным принципом утилизации энергии тепловых выбросов следует считать
отбор уходящей теплоты и ее кратчайшую передачу смежному потребителю —
системам отопления здания и подогрева вентиляционного воздуха и воды —
или включение ее в актив теплового баланса скооперированного здания, блока
или технологического агрегата, нуждающихся в теплоте, соответствующего
потенциала, без коррекции тепловых параметров или с промежуточным повыше-
нием энтальпии, осуществляемым через тепловой насос.
1. 5. Биотехнологические основы конверсии
солнечной энергии
Е. С. Панцхава
Наряду с другими формами использования солнечной энергии в различных
странах получает развитие технология конверсии биомассы в жидкое и газо-
образное топливо.
Биомасса — один из наиболее мощных природных аккумуляторов солнечной
энергии. Это растительные и животные материалы, которые могут быть преобра-
зованы в тепловую и другие виды энергии. К ним относятся деревья, кустарники,
различные виды древесной растительности, травы, травянистые растения, водо-
росли, водные растения, отходы сельскохозяйственного производства, животно-
водства и птицеводства, лесообработки, твердые и другие промышленные отхо-
ды, сточные воды. В настоящее время биомасса обеспечивает от 6 до 13% всех
мировых энергетических потребностей, что эквивалентно примерно 1 млн. т неф-
ти в сутки. Она является основным источником энергии в сельских районах раз-
вивающихся стран, где проживает примерно половина населения земного шара.
Ежегодное производство биомассы только в лесах составляет около 74 млрд, т,
что эквивалентно энергосодержанию, в 3 раза превышающему ежегодное по-
требление энергии в мире.
Первичным источником биомассы является фотосинтез. В целом фотосинтез
конвертирует 3- 1024 Дж солнечной радиации, падающей на поверхность Земли
в течение года, превращая ее в химическую энергию различного рода соедине-
ний; при этом ассимилируется 2 • 10'1 т углерода.
Основным производителем биомассы являются континентальные леса. Мор-
ской фотосинтез обеспечивает 31,8% биомассы по содержанию. На культивиру-
емых в настоящее время землях производится 5,3% биомассы, что составляет
76% общего объема биоматериалов на Земле. Для сравнения интересно ука-
49
зать, что добыча и использование ископаемых топлив (газ, нефть, уголь) со-
ставляет 1,8 • 109 т/год [4], или 1,05% мирового ежегодного прироста био-
массы.
Основной материал биомассы — лигноцеллюлоза, или древесина. Послед-
няя относится к малоэнергоемким материалам, при прямом сжигании она за-
грязняет окружающую среду продуктами пиролиза. Важным шагом вперед
в энергетическом и химическом использовании лигноцеллюлозы следует считать
ее термохимическую и биохимическую конверсию в энергоемкие, транспорта-
бельные и экологически чистые виды топлива. Однако широкое использование
лигноцеллюлозы для получения различных видов топлива в настоящее время
наталкивается на ряд трудностей. Для переработки древесины можно приме-
нять термохимические способы, однако при этом теряется часть товарной тепло-
вой энергии, так как процессы протекают в диапазоне температур от 250 до
700° С. Например, термохимический гидролиз древесины применяется для по-
лучения гидролизного этанола. Но широкое распространение этого метода сдер-
живается высокой степенью коррозионности процесса.
В последние годы серьезные успехи достигнуты в разработке биохимического
способа переработки древесины, или ферментативного ее гидролиза. Основным
препятствием на пути внедрения этого способа является присутствие лигнина,
не поддающегося ферментативному разложению.
В состав биомассы, кроме того, входит значительное число различных ор-
ганических соединений, которые без особых трудностей могут быть превращены
посредством биоконверсии в жидкие и газообразные виды топлива.
Биомассу по влажности можно разделить на два типа: с влажностью менее
50 и более 50%. Для конверсии в топливо и энергию биомассы первого типа це-
лесообразно использовать термохимические способы, второго типа — биологи-
ческие или биотехнологические. Термохимическое преобразование связано с ис-
пользованием высокой температуры для переработки биомассы и включает сле-
дующие процессы:
непосредственно сжигание для производства теплоты;
пиролиз для получения газа, пиролитических жидкостей, химических ве-
ществ, растительного и животного угля;
газификацию для производства газов с низкой и промежуточной теплотой
сгорания, при этом получаемый газ может подвергаться процессу непосред-
ственного сжигания для получения аммиака и метилового спирта или преобра-
зовываться в «синтез-газ»;
сжижение для получения жидких топлив.
Биотехнологическое преобразование связано с производством энергии ме-
тодом ферментативного разложения биомассы микроорганизмами в анаэробных
(без доступа воздуха) условиях. В него входят следующие процессы:
метановое брожение — получение метана;
этиловая ферментация — получение жидкого топлива, этанола;
анаэробная ферментация с получением ацетона, бутанола и других раство-
рителей, а также органических кислот;
анаэробная ферментация с получением водорода;
ферментативная деполимеризация лигноцеллюлозных материалов в простые
соединения, которые легко могут быть использованы для процессов биокон-
версии.
К системам сжигания древесной биомассы относятся открытый огонь (печи),
брикетные, бойлерные и аппараты для сжигания в кипящем слое. В настоящее
время создаются печи и системы непосредственного сжигания, в которых будет
использоваться до 80% энергии, содержащейся в биомассе. При применении
открытого огня используется только 5—10% энергии. Если биомасса имеет низ-
кое содержание влаги (менее 50%), то к. п. д. систем прямого сжигания резко
повышается.
50
>300
>300
/ 300
DO у
300
>200
150
>200
>200
/ 300
0r8
а)
0,6
О,У
0,2
10 20 30 Ю 50 60 70
Влажность,°!„
\>400
400 I
/
Z, Вт/(м-К)
Л,,
° 10 20 30 W
Влажность, °/„
Рис. 1.14. Зависимость коэффициента тепло-
проводности от влажности
а — крупнозернистый песчаный массив; / —
р0=1.34 • 103 кг/м3; 2 —ро=1.45 • 103 кг/м";
3 __ р0= 1,82 • 103 кг/м3; б — мелкозернистый
глинистый массив; 1 —ро=1,93- 10 кг/м',
2 —р0 = 1,47 - 103 кг/м3; 3 — Ро = 1,62 X
X 103 кг/м3 [8]
ветра,
Рис. 1.13. Среднегодовая мощность
Вт/мг. на территории США, оцениваемая на
высоте 50 м над открытой местностью [4]
Рис. 1.16.
1 — газ;
4 — шлам
Устройства для получения биогаза
2 — сырье; 3 — жидкий субстрат;
Рис. 1.15. Теплофизические характеристики
супесчаной почвы при различной влажности
1 — температуропроводность; 2 — тепло-
проводность; 3 — объемная теплоемкость
51
Для регенерации энергии из городских твердых отходов применяют системы
двух типов: насыпные или навальные системы (обычное сжигание), в которых
отходы поступают на наклонные движущиеся решетчатые установки и сжигают-
ся в них, и системы для сжигания предварительно подготовленных отходов во
взвешенном состоянии. В последних материалы предварительно измельчаются,
пропускаются через воздушный сепаратор и сортируются с помощью магнита
для обеспечения однородности состава используемого сырья.
Пиролизом называют термическое разложение углеводов в отсутствие ки-
слорода при температуре 450—550° С. Из 1 м3 древесины можно получить
140—180 кг древесного угля, не содержащего ни серы, ни фосфора, который
может быть использован при производстве некоторых видов высококачествен-
ной стали, 280—400 кг жидких продуктов (метанола, уксусной кислоты, ацето-
на, фенолов и др.), 80 кг горючих газов (метана, оксида углерода, водорода).
Пиролизу могут подвергаться любые твердые органические вещества, поэтому
он представляет большой интерес для рациональной утилизации твердых город-
ских отходов и некоторых твердых отходов сельскохозяйственного производства
(солома) и лесопереработки с целью получения топлива и сырья для химической
промышленности.
Биогаз представляет собой конечный продукт разложения микроорганизма-
ми в анаэробных условиях сложных органических веществ фотосинтетического
происхождения. На 50—80% он состоит из метана и на 50—20% — из угле-
кислого газа (диоксида углерода). Теплота сгорания чистого биометана—
42 МДж/м3, теплота сгорания биогаза варьируется в зависимости от содержа-
ния диоксида углерода и в среднем составляет около 25,2 МДж/м3. При полу-
чении биогаза энергия Солнца конвертируется в доступное, удобное для техни-
ческого использования топливо и химическое сырье.
Биотехнологическое получение метана имеет ряд преимуществ:
сырьем для получения метана может служить биомасса с высокой влаж-
ностью, а также разнообразные органические остатки — отходы сельскохо-
зяйственного производства (солома, ботва, травы, листья, отходы животновод-
ства и птицеводства), пищевой, текстильной и других отраслей промышлен-
ности, отходы коммунального хозяйства, сточные воды. Получение биогаза мо-
жет быть экономически выгодным даже при использовании органического мате-
риала с малой концентрацией его в воде;
коэффициенты конверсии энергии в системах получения биогаза из орга-
нического сырья весьма высоки. Теплота сгорания органических веществ более
чем на 80% конвертируется в биогаз;
полученный биогаз можно использовать как топливо не только для получе-
ния теплоты, но и для автомобильных, тракторных двигателей и для газовых
двигателей с целью получения электроэнергии. Сжигание 1 м3 биогаза в таких
двигателях может дать 1 —1,5 кВт-ч электроэнергии. Октановое число биогаза
равно 110—115 при низшем пределе температуры вспышки 645° С;
анаэробная переработка отходов приводит к минерализации азота и фос-
фора — основных слагаемых удобрений — и их сохранению в отличие от тради-
ционных способов приготовления органических удобрений, при которых теря-
ется 30—40% азота;
при образовании биогаза до 90% углерода субстрата может быть превра-
щено в газ, а поскольку метановое брожение является наиболее радикальным
и эффективным способом очистки сточных вод, то это весьма существенно для
решения важнейших проблем охраны окружающей среды и регенерации воды;
при получении биогаза источник топлива оказывается вблизи крупных про-
изводств, что увеличивает их автономность и сокращает расходы на транспорти-
ровку топлива или электроэнергии по газопроводам и линиям электропередач
к относительно мелким потребителям.
Все изложенное выше позволяет считать биогаз одним из видов горючего,
52
получение которого технически несложно, а применение экологически выгодно.
Получение биогаза, или метановое брожение, — сложный многоступенчатый
последовательный распад разнообразных биополимеров в анаэробных условиях
под действием бактериальной флоры, конечным результатом которого является
образование метана и диоксида углерода (углекислого газа). Бактериология
этого сложного процесса изучена еще слабо, но можно выделить основные этапы
деградации сложных органических веществ до метана и СОг.
На первом этапе анаэробного сбраживания происходит ферментативное
гидролитическое расщепление органических веществ широким спектром экзо-
генных гидролаз — ферментов, выделяемых в среду анаэробными бактериями,
пОл/чившими название бактерий-гидролитиков. Под действием гидролаз высо-
комолекулярные соединения (полисахариды, жиры, белковые вещества) транс-
фЬр^йруются в низкомолекулярные. Последние под действием кислотогенных
бЙкЗ'ё’р'ий (второй этап) превращаются в летучие жирные кислоты, органические
кйсЙЬтЫ, спирты, альдегиды, кетоны, аммиак, сероводород, диоксид углерода,
водород и воду. Образовавшиеся органические кислоты, за исключением уксу-
сной и муравьиной, под действием особой группы бактерий — ацетогенов —
превращаются в уксусную и муравьиную кислоты, водород и СО2. В результате
первых трех этапов — гидролитического, кислотогенного и ацетогенного — в
среде накапливаются уксусная и муравьиная кислоты, метиловый спирт, метил-
амин, водород, оксид и диоксид углерода, аммиак, сероводород, оксид фосфо-
ра. Указанные соединения являются основными субстратами для энергетиче-
ского и конструктивного обмена веществ особой группы анаэробных бактерий —
метаногенных, синтезирующих метан.
Метаногенные бактерии венчают сложный процесс распада биополимеров
в анаэробных условиях. Эти микроорганизмы по целому ряду уникальных био-
химических особенностей выделены в особую группу всего живого мира — груп-
пу «архебактерий», или древнейших бактерий. В эволюционной истории всего
развития метаногены насчитывают 3—3,5 млрд. лет. Они возникли задолго до
появления фотосинтеза и, как предполагают, были одними из первых живых ор-
ганизмов, возникших на Земле.
Уксусная и муравьиная кислоты, метиловый спирт, оксид углерода, метил-
амин, диоксид углерода и водород используются различными видами метаногенов
(к настоящему времени описано около 20 видов) для энергетического и конструк-
тивного обмена, аммиак, сероводород и фосфор — для конструктивного обмена.
Образование биогаза из продуктов фотосинтеза можно представить в виде
двух взаимосвязанных систем. Первая из них связана с накоплением продуктов
фотосинтеза, или биомассы, которая является субстратом — сырьем для второй
системы, образующей метан. Согласно этой схеме, все задачи, связанные с реше-
нием проблемы промышленного производства биогаза, делятся на три основные
группы, первая группа — задачи, связанные с проблемой сырья и его подготов-
кой; вторая группа — задачи, связанные с трансформацией биомассы в биогаз,
или непосредственное метановое брожение; третья группа — задачи, связанные
с рациональной утилизацией продуктов метанового брожения.
Сырье является основной проблемой в производстве биогаза. Главное требо-
вание к сырью — массовость, доступность, низкая стоимость и быстрая транс-
формация в метан. Следовательно, не все виды биомассы могут непосредственно
без предварительной подготовки использоваться в биогазовой промышленности.
Сырье или биомассу, используемые для производства биогаза, можно разделить
на две большие группы.
1. Биомасса как непосредственный продукт фотосинтеза, например водо-
росли, водные растения, травы, кустарники и т. д. В ряде стран имеется уже
определенный опыт по выращиванию водорослей и водных растений и производ-
ству из них метана. Разрабатываются также проекты по масштабному производ-
ству метана из морских водорослей (США). Возможно, что в недалеком буду-
53
щем в США водоросли станут основным сырьем для производства биогаза
в рамках большой энергетики.
2. Биомасса как отходы при производстве продуктов питания и некоторых
технических продуктов из сельскохозяйственного сырья. Это наиболее перспек-
тивное сырье для получения биогаза.
Подсчитано, что в развитых странах на одного человека в год приходится
до 5 т сухих органических отходов, а для СССР и США (в пересчете на все насе-
ление) эта цифра составляет около 2,4 млрд. т. Переработка их в метан может
дать до 700 млрд, м3, или 1 млрд, т условного топлива.
Отходы делятся на первичные и вторичные. К первичным относятся отходы
сельскохозяйственного производства (солома злаковых, ботва и т. д.), пищевой,
микробиологической, текстильной и других отраслей промышленности, исполь-
зующих сельскохозяйственное сырье, а также отходы лесопереработки. Ко вто-
ричным отходам относятся отходы животноводства, птицеводства, коммуналь-
ные отходы и сточные воды городов.
Технологические принципы получения биогаза из сточных вод городов до-
статочно отработаны и не вызывают сомнений. Например, станции аэрации,
перерабатывающие сточные воды Москвы, производят в год до 110 млн. м3 био-
газа, который используется на собственные нужды предприятий. Общий выход
сточных вод крупных городов в СССР составляет около 6,5 млн. т. по сухому ве-
ществу. При их переработке можно получить до 2 млрд, м3 биогаза в год.
Например, отходы 15 человек могут дать 0,540 м3 газа в сутки, что позволит
при использовании газового двигателя с генератором получить 1,14 кВт • ч элек-
троэнергии, а отходы 15 тыс. человек позволяют получить до 2 млн. м3 биогаза
в год. При использовании метантенка объемом 5600 м3 в Сутки подается 376 м3
(6,7%) отходов, при концентрации сухих веществ 4%. Наиболее выгодно
использовать биогаз в газовом двигателе с генератором для получения энергии.
Коэффициент превращения тепловой энергии в механическую равен 38%, меха-
нической в электрическую — 94%, а общий к. п. д. равен 33%. Однако общий
коэффициент переработки газа выше за счет получения дополнительной отрабо-
танной теплоты и составляет 80%. Ежегодно за счет указанных количеств газа
можно получать 11400 кВт- ч электроэнергии. После обеспечения электро-
энергией помпы и газового компрессора (3400 кВт- ч/сут) и затрат на подачу
воздуха для аэротенка (4000 кВт - ч/сут) остается 4000 кВт • ч. Дополнитель-
ная тепловая энергия (отработанная теплота) составляет в день 1200 МДж.
В итоге полученная электроэнергия и отработанная теплота соответствуют
затратам 630 кг мазута в сутки. Таким образом, 1 м3 газа с учетом получения
электроэнергии и отработанной теплоты равноценен 1,3 кг мазута.
В СССР уже длительное время успешно действуют два крупных цеха по ме-
тангенерации на отходах ацетоно-бутилового производства и один цех — на
отходах спиртового производства. Каждый такой цех вырабатывает в год до
3,5 млн. м3 биогаза, что позволяет экономить производствам до 25% природного
газа. Кроме того, одновременно с получением биогаза производится кормовой
препарат В12 для животноводства. После пуска в эксплуатацию цехов по метан-
генерации такие предприятия стали безотходными. Только за счет переработки
отходов пищевой промышленности Украинской ССР методами биоконверсии
можно будет получать в год до 850 млн. м3 биогаза, или 850 тыс. т условного
топлива.
В проточной системе (при непрерывном или полупрерывном процессе) суб-
страт загружают в реактор непрерывно или через короткие отрезки времени (на-
пример, ежесуточно). Если обеспечиваются оптимальные параметры процесса
(подача массы, концентрация сухого вещества, загрузка рабочего пространства,
температура брожения) и равномерное перемешивание массы, то этот вид про-
изводства позволяет получить максимальный выход газа при непрерывном
процессе газообразования.
54
Система с попеременным использованием реакторов характеризуется пре-
рывистым процессом, протекающим не менее чем в двух одинаковых по разме-
рам и формам реакторах.
При ежесуточной загрузке свежего субстрата реакторы при образовании
определенного количества шлама попеременно заполняются свежим субстра-
том и по истечении заданного срока брожения опорожняются так, что в них
остается только затравочный шлам. Такая система требует наличия газового
аккумулятора (газгольдера) с постоянным запасом газа, достаточным для за-
полнения освобождающегося при выгрузке шлама объема реактора. Это тре-
буется для предотвращения попадания воздуха в рабочее пространство реак-
тора.
Система с накоплением газа и шлама выполняется только с одним жидкост-
ным реактором. Последний играет роль бродильной камеры и накапливает шлам
до момента его выгрузки. Поэтому реактор никогда не опорожняется полностью;
остаток шлама служит затравкой для новой порции субстрата. При непрерывной
подаче свежего субстрата постоянно снижается время, отводимое для брожения.
В результате этого газовый потенциал накопившейся в реакторе массы исполь-
зуется не полностью [17].
Рассмотрим основные компоненты установки. Одним из таких компонентов
является реактор (метантенк). В настоящее время в производстве по получению
биогаза используются реакторы объемом от нескольких кубических метров до
нескольких тысяч кубических метров. С увеличением объема реактора соответст-
венно снижается и стоимость его строительства в пересчете на единицу объема.
Реакторы изготовляются из железобетона, металла и полимерных материалов.
К реакторам предъявляются следующие основные требования: абсолютная гер-
метичность стенок, препятствующая газообмену; непроницаемость для жидко-
стей; сохранение прочности в статическом состоянии; надежная теплоизоляция;
доступность внутреннего пространства для обслуживания.
Форма, размер и конструкция реакторов зависят от таких факторов, как мас-
совый расход субстрата при заполнении, заданный выход газа или степень сбра-
живания субстрата, применяемая система производства и уровень механизации.
С точки зрения статической прочности, создания условий для перемешивания
(затрат энергии на перемешивание), отвода осадков и разрушения плавающей
корки предпочтительно использование яйцеобразного резервуара (рис. 1.16, а).
Однако в крупных установках его делают только из бетона, поэтому высокая
стоимость изготовления таких резервуаров существенно ограничивает их при-
менение. Для меньших объемов (менее 30 м3) можно изготовлять реакторы ука-
занной формы из полиэфирной смолы, армированной стекловолокном. В буду-
щем резервуары такого типа найдут широкое применение в сельскохозяйствен-
ных биогазовых установках.
Цилиндрический резервуар с конусной верхней или нижней частью
(рис. 1.16, б), как и яйцеобразный, обладает тем преимуществом, что для него
характерны небольшое пространство для накопления газа, концентрированная
в органическом объеме плавающая корка, а также хороший отвод шлама. Резер-
вуар такой формы, используемый в коммунальных установках для очистки и раз-
ложения стоков, а также для обработки производственных сточных вод, изготов-
ляют из бетона, а в последнее время из металла. В сельском хозяйстве более
экономично применять стальные конструкции.
Цилиндрический резервуар (рис. 1.16, в) создает худшие условия для пере-
мешивания и из-за большой поверхности контакта сред требует более высоких
затрат на удаление осадка и разрушение плавающей корки, что связано с увели-
чением затрат энергии при перемешивании. Его преимущество заключается
только в относительно простой технологии изготовления. Если цилиндрический
резервуар разделить перегородкой на две камеры, то затраты на него будут
меньше по сравнению с затратами, необходимыми для изготовления двух от-
55
дельных резервуаров (система с попеременным использованием реакторов,
рис. 1.16,г). При применении такой конструкции отпадает необходимость в теп-
лоизоляции наружных стенок резервуара и улучшается теплопередача между
обеими камерами через перегородку, выполненную из теплопроводного мате-
риала. Встраивание в эту перегородку нагревательного устройства дает допол-
нительные конструктивные и энергетические преимущества.
В небольших установках бродильная камера может иметь кубическую форму
(в виде бассейна или ямы с крышкой, рис. 1.16,д). Такой реактор можно разде-
лить на две части: главную бродильную камеру и камеру для окончательного
этапа сбраживания и осаждения шлама. Установки этого типа не позволяют
получить высокую степень разложения субстрата, так как в них не обеспечи-
ваются ни равномерное перемешивание массы, ни управление загрузкой рабо-
чего объема камеры и временем пребывания массы в реакторе. Разрушёнйё
плавающей корки и осадка связано с большими затратами.
В горизонтальном резервуаре (рис. 1.16, е) субстрат перемешивается в про-
дольном направлении, причем для небольших установок можно применять ци-
линдрические реакторы, сделанные из стали или стеклопластика. Наклонное
расположение продольной оси резервуара облегчает стекание шлама по на-
правлению к выгрузному отверстию. Такая конструкция удобна для размещения
простейшего перемешивающего механизма.
Бродильная камера в виде вырытой в грунте траншеи (рис. 1.16, ж) позво-
ляет обрабатывать большие количества субстрата. В качестве строительного
материала, как правило, используют бетон. В настоящее время принцип сбражи-
вания в траншеях с наклонным дном и плавающей крышкой получил дальнейшее
развитие в США.
Для получения необходимой температуры брожения прежде всего требуется
подогревать до температуры брожения подаваемый субстрат. При загрузках
более 20% в сутки, хорошей теплоизоляции и большом объеме реактора такого
способа подогрева вполне достаточно для поддержания оптимальной темпера-
туры брожения в условиях эксплуатации реакторов в средних широтах. И лишь
зимой, при сильных морозах требуется дополнительный подогрев самой массы
в реакторе. Для этого используют паровые инжекторы — теплообменные нагре-
вательные аппараты, через которые пропускается горячая вода не выше 60° С.
Подогрев можно также осуществлять путем циркуляции массы через теплооб-
менники, вынесенные вне реактора. В ряде стран для подогрева используют
солнечную энергию, применяя солнечные коллекторы.
Постоянное равномерное перемешивание жидкости и находящихся в ней
твердых веществ служат предпосылкой беспрепятственного и эффективного про-
текания процесса брожения. С этой целью используют механическое перемеши-
вание с помощью мешалок и гидравлическое перемешивание с помощыб ётруй
жидкости, которая создается подвижным или неподвижным соплом. Наиболее
экономичным и перспективным является перемешивание с помощью газов бро-
жения, которые продуваются через жидкий субстрат, не имеющий слишком
большой вязкости.
Чтобы поддерживать необходимую для процесса брожения температуру,
нужно постоянно подводить теплоту к сбраживаемой массе. Потребность в ней
складывается из теплоты, необходимой для подогрева субстрата, и теплоты,
идущей на компенсацию потерь. Компенсационные потери составляют 8—16%
от количества теплоты, необходимой для подогрева субстрата. Общая потреб-
ность в теплоте для биогазовой установки определяется главным образом затра-
тами на подогрев субстрата до температуры брожения. Кроме того, часть энер-
гии затрачивается на работу мешалок или насосов.
Для компенсации указанных затрат энергии на эксплуатацию биогазовых
установок можно использовать биогаз как источник для получения теплоты и
энергии. Количество этого газа зависит от температуры брожения, объема
56
реактора, скорости подачи субстрата, климатических условий и колеблется от
10 до 50% от получаемого биогаза. Источником теплоты может служить теплота
удаляемого шлама или сброженной массы, для чего используют теплообменник
или тепловой насос.
Вторым важным и материалоемким компонентом биогазовых установок
является газгольдер. Газгольдеры, так же как и реакторы, бывают разных
систем и конструкций.
Газгольдер для сжиженного газа. При температуре —160° С очищенный от
СОг биогаз при нормальном давлении можно перевести в жидкое состояние. При
этом объем его уменьшается в 600 раз. Современные газгольдеры такого типа
имеют объем от 100 до 1 00000 м3.
,х(,Детан можно растворить под давлением в жидком углеводороде (пропан-
1),. при этом запас газа в том же объеме в 4—6 раза больше, чем при исполь-
зовании другого способа под тем же давлением.
Газгольдер высокого давления представляет собой сферический резервуар
вместимостью 10—100 тыс. м3 с рабочим давлением 0,8—1,0 МПа.
Мокрые газгольдеры низкого давления колокольного типа имеют номиналь-
ный объем 500—3 00000 м3. Такой тип газгольдеров наиболее часто применяется
в биогазовых установках. Их недостаток — возможность замораживания зимой.
Сухой газгольдер низкого давления может быть дискового или магнитного
типа. Номинальный объем 2000—3 00000 м3, но выпускаются и газгольдеры
меньшего объема — от 50 м3. Рабочее давление составляет 2—5 кПа.
Газгольдер — баллон низкого давления — цилиндрический или сферический
баллон из многослойной синтетической ткани. Рабочее давление не превышает
2 кПа, объем 5—300 м3.
При подготовке биогаза к использованию основное значение имеют следую-
щие процессы: удаление H2S (обессеривание необходимо прежде всего для
предотвращения коррозии); удаление СО2 (повышает теплоту сгорания газа и
необходимо для его сжижения); компримирование и сжижение (при использо-
вании в качестве топлива для тракторов). Поскольку речь идет о замене биога-
зом других энергоносителей, то в каждом конкретном случае применения био-
газа необходимо учитывать коэффициенты полезного действия.
В принципе газовые приборы с точки зрения использования первичного энер-
гоносителя значительно экономичнее, чем электроприборы. В настоящее время
разрабатываются отопительные устройства, в которых выпускные газы конден-
сируются, в результате чего выделяется теплота испарения содержащейся в них
воды.
При получении электроэнергии в помощью приводимого газовым двигателем
генератора справедливо следующее соотношение: 1 м3 биогаза дает 1,6 кВт • ч
электроэнергии.
Средняя теплота сгорания биогаза, содержащего около 60% метана, равна
22 МДж/м3. Поскольку горючая часть биогаза состоит из метана, его можно
причислять к семейству природных газов. Характерная для природного газа
скорость распространения пламени в метано-воздушной смеси, равная 43 см/с,
при использовании биогаза снижается из-за содержания в нем СОг-
Биогаз можно использовать в следующих установках и приборах.
Горелка для отопительных установок применяется в системе отопления
жилых помещений как в виде обычных горелок с забором атмосферного воздуха,
так и в виде горелок с дутьем. Для нормальной работы горелок требуется давле-
ние истечения газа на входе в горелку, равное 1—1,5 кПа.
Водонагреватели стандартные, пригодные для любых газов и газовых смесей,
не вызывают каких-либо трудностей в эксплуатации.
Газовые плиты с горелками на верхней поверхности и с духовками. Кухон-
ные газовые плиты должны работать на биогазе с теплотой сгорания 22 МДж/м3
при рабочем давлении 0,4 кПа.
57
Холодильные машины абсорбционного типа. Сейчас ведутся работы по
проектированию абсорбционных тепловых насосов с непосредственным исполь-
зованием газа для подогрева. Такие насосы задуманы как для тепло-, так и для
холодоснабжения климатических установок.
Стационарные двигатели внутреннего сгорания. В настоящее время ряд за-
рубежных фирм наладил серийный выпуск газовых двигателей эффективной
мощностью от 30 до 2200 кВт. Наиболее экономично использовать биогаз в ста-
ционарном газовом двигателе низкого давления, например для привода вентиля-
торов, насосов, транспортеров, генераторов и т. д.
Биогаз имеет октановое число 100—110 (метановое число 135), пригоден для
двигателей с высокой степенью сжатия, но обладает очень низкой способностью
к самовоспламенению. Обычная степень сжатия биогаза находится в пределах
от 8 до 11. Биогаз может быть использован в одном из двух циклов сгорания,
характерных для газовых двигателей: в газовом цикле Отто (с искровым зажи-
ганием) и газодизельном цикле (с впрыскиванием небольшой дозы запального
дизельного топлива) [17].
Стационарные газовые двигатели для получения электроэнергии. Имеются
компактные установки из газовых двигателей и генераторов на электрическую
мощность 30—220 кВт. Производство электроэнергии из биогаза может быть
целесообразным лишь при продолжительной эксплуатации генераторной уста-
новки.
Фирма «Фиат» разработала использующую природный газ или биогаз ком-
пактную теплосиловую установку «Тотем» [17], которая вырабатывает электро-
энергию (переменный ток 330 В, 15 кВт) и горячую воду (145 МДж/ч). Часовая
потребность ее в биогазе составляет 10 м3 и соответствует затратам 0,113 долл.
Биогаз может найти широкое применение непосредственно в сельскохозяйст-
венном производстве. В растениеводстве полностью или частично с помощью
биогаза можно обеспечить энергией следующие производственные процессы:
сушку зеленых кормов, сушку сена, винокурение. Кроме того, биогаз может
использоваться в теплицах.
В животноводстве также можно применять биогаз для покрытия потреб-
ностей в энергии отдельных процессов, в которых сегодня применяется электро-
энергия или природный газ.
Сельское хозяйство помимо биогаза активно потребляет биошлам, образую-
щийся после метанового брожения и используемый в качестве высокоэффектив-
ных органических удобрений.
В ряде стран уже имеются значительные достижения в использовании био-
газа для коммунальных и бытовых нужд, для получения теплоты и электро-
энергии. На основании изложенного выше можно сделать вывод, что биогаз,
получаемый конверсией биомассы, может стать важным дополнительным источ-
ником топлива.
Только отходы сельскохозяйственного производства — пшеничная и рисовая
солома, отходы животноводства — составляют в мире до 4,2 млрд, т, их пере-
работка в метан биоконверсией может покрыть одну десятую современных ми-
ровых энергетических потребностей. Основные преимущества получения био-
газа состоят в том, что он относится к возобновляемым источникам энергии.
Весь имеющийся мировой опыт по получению биогаза из биомассы указывает
на его рентабельность и высокую эффективность.
Список литературы
I. Кондратьев К. Я. Актинометрия. — Л.: Стройиздат, 1965.
2. Брамсои М. А. Инфракрасное излучение нагретых тел. — М.: Наука, 1964.
3. Селиванов Н. П. Энергоактивные солнечные здания. — М.: Знание, (сер. Стр-во и архитектура),
1982, № 2.
4. Физико-географический атлас мира. — М., 1964.
58
5. Справочник по климату СССР. — Л.: Гидрометеоиздат, 1966.
6. Пивоварова 3. И. Характеристика радиационного режима на территории СССР применительно
к запросам строительства. —Л.: Гидрометеоиздат/Тр. ГГО, 1973, вып. 321.
7. СНиП 2.01.01—82. Строительная климатология и геофизика.—
8. Руководство по строительной климатологии (пособие по проектированию). — М.: Стройиздат,
1977.
9. American Institute of Architects Research Corporation: Regional guidelines for building pas-
sive energy conserving houses Washington, D C, US Department of Housing and Urban Develop-
ment, Office of Policy Development and Research in cooperation with US Departments of Ener-
gy, 1980.
10. National Research Council of Canada, Associate Connuttee on the National Building Code:
Climatic information for building design in Canada, 1977. Supplement № 1 to the National Building of
Canada. Ottawa (The Council and the Committee), 1977 (NRCC, 15556).
11. Cehak K. Das osterreichische Klimadaten buch, Teil 1: Klimadaten buch Zent ralanstalt
fiir Meteorologie und Geodunamik, Wien, Publikation, 1981.
12. Ветроэнергетика. — M.: Энергоатомиздат; 1982.
13. Заварииа M. В. Строительная климатология. — Л.: Гидрометеоиздат, 1976.
14. Максимов Ю. И. Проблемы и перспективы развития мировой энергетики. — М.: Знание (сер.
Науки о Земле), 1982. № 5.
15. Новые источники и методы преобразования энергии.—М.: Секретариат СЭВ, 1981.
16. Куртеиер Д. А„ Чудновский А. Ф. Расчет и регулирование теплового режима в открытом и защи-
щенном грунте. — Л.: Гидрометеоиздат, 1969.
17. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз. Теория и практика/Пер. с нем. — М.: Колос, 1982.
2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ И АРХИТЕКТУРНО-
СТРОИТЕЛЬНЫЕ ПРИЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ЭНЕРГОАКТИВНЫХ ЗДАНИЙ
Н. П. Селиванов
2.1. Архитектурно-строительные приемы повышения энергетической
экономичности зданий
Отличительная особенность энергоактивных зданий любого типа заключает-
ся в том, что их конструкции наделены способностью улавливать, преобразовы-
вать и передавать во внутреннюю или внешнюю энергосистему энергию возоб-
новляемых источников: солнечную, ветровую, гидро- и геотермальную, биохи-
мическую и другие виды энергии [1, 2].
Общие принципы и архитектурно-строительные приемы разработки энерго-
активных зданий формулируются исходя из требований, которые определяются
основным функциональным назначением здания и стремлением к повышению
энергетической экономичности и экологического комфорта. Принцип полифунк-
циональности проектирования конструкций воплощается через конструктивный
или функциональный признаки. В первом случае конструктивные элементы
здания совмещают с конструктивными элементами энергетической установки,
предназначенной для использования соответствующего возобновляемого источ-
ника. Во втором случае наделяют тот или иной конструктивный элемент здания,
целое здание или группу зданий дополнительными энергетическими функциями,
например используя здание или его часть в качестве затеняющего или направ-
ленно отражающего солнечную энергию экрана либо диффузора ветроэнергети-
ческой установки.
Конструктивный и функциональный признаки могут быть совмещены в одном
техническом решении, взаимно дополняя и усиливая эффект энергетической
активности. Например, стену снабжают долговечной облицовкой в виде селек-
тивно пропускающих и определенным образом пространственно ориентирован-
ных стеклянных или стеклокристаллических плиток с отражающей подложкой
из слоя металла (конструктивный признак), ограждению в целом или его части
59
придают дополнительную функцию направленного отражателя (функциональ-
ный признак), экономично решая при этом архитектурно-строительные и гелио-
технические задачи.
Наибольший эффект повышения энергетической экономичности здания до-
стигается в том случае, если задача решается комплексно всеми доступными
средствами на каждом этапе проектирования с обязательной реализацией их
в процессе эксплуатации. При этом можно выделить три направления повыше-
ния энергетической экономичности зданий:
сокращение энергетических затрат на термостатирование и обеспечение
других форм экологического комфорта путем применения улучшенных техни-
ческих решений в проектируемом здании;
использование в энергетическом балансе здания энергии возобновляемых
источников в пределах собственных энергоресурсов, которыми располагает
здание в силовом поле данного источника;
освоение и вовлечение в энергетический баланс здания дополнительных ре-
зервов энергии возобновляемого источника из окрестных зон атмо-, гидро-
и литосферы, примыкающих к зданию.
Конкретные, адекватные каждому возобновляемому источнику энергии
приемы проектирования как градостроительного, так и архитектурно-конструк-
тивного плана будут рассмотрены ниже в пп. 2.2—2.5, а общее для всех видов
энергоактивных (и не только энергоактивных) зданий требование сокращения
собственных энергетических затрат удовлетворяется на основе единых техниче-
ских средств, которые сводятся к следующим.
А. На стадии градостроительного проектирования.
1. Изучение местных природно-климатических факторов района строитель-
ства с энергетической точки зрения и разделение их на две условные категории—
положительную и отрицательную — путем сопоставления с требуемыми энерге-
тическими, а в более широком смысле — экологическими параметрами проек-
тируемого здания или микрорайона.
2. Привязка проектируемого объекта на площадке, которая из числа равно-
возможных имеет наибольшее число природно-климатических факторов с энер-
гетическим знаком ( + ), т. е. в наибольшей степени нейтрализует негативные
факторы внешней среды (защищена от холодных ветров зимой, расположена
в лесопарковой зоне у южного склона рельефного образования — в северных
районах с суровым климатом; защищена от перегрева в наиболее жаркие часы,
микроклимат локально смягчен влиянием примыкающего к площадке водоема
и обильного затенения от деревьев, кустарников и вьющихся растений —
в южных районах). ,
3. Искусственное усиление энергетически нейтрализующего воздействия на
неблагоприятные природно-климатические факторы условно отрицатедьирй
категории путем целенаправленной организации рельефа и выполнение.других
ландшафтных мероприятий (создание защищенного растительностью земляного
барьера на пути неблагоприятных ветров, устройство водоема или системы
водоемов у проектируемого объекта с целью локальной оптимизации энергети-
ческих параметров микроклимата в окрестностях объекта).
4. Размещение вновь возводимых объектов или привязка нового объекта
в районе существующей застройки с группировкой объектов по признаку про-
тивоположных энергетических требований к природно-климатическим факторам
внешней среды с целью оптимизации энергетического баланса одного или всех
объектов, образующих группу, путем защиты одного объекта другим или взаим-
ного перераспределения внешней или внутренней энергии (затенение здания-
холодильника расположенным рядом относительно индифферентным к внешним
энергетическим воздействиям производственным или иным зданием; размеще-
ние культивационного сооружения в окрестностях промышленного здания с из-
быточными тепловыделениями с целью утилизации последних).
60
Другие специфические для каждого возобновляемого источника энергии
приемы градостроительного проектирования энергоактивных зданий рассмотре-
ны в пп. 2.2—2.5.
Б. На стадии архитектурного проектирования зданий.
1. Снижение удельной площади наружных ограждений на единицу объема
здания путем максимально компактной компоновки здания, предельно допусти-
мого увеличения объема единого здания на основе принципа блокировки одно-
родных объектов, а также широкого применения принципа объемной блокировки
разнородных объектов, объединяемых по признаку противоположности знака
однотипных составляющих их энергобалансов с обеспечением экономии энергии
за счет взаимного уравновешивания плюсов и минусов энергобалансов взаимо-
связанных блоков.
2. Целенаправленный выбор формы или ориентации объекта или его части
с учетом свойств энергетического поля возобновляемого источника или иных
энергетических полей, взаимодействующих со зданием.
3. Применение приемов объемной, пространственной (геометрической)
трансформации здания, сооружения или изменение энергетических полей.
4. Более широкое применение литосферных форм зданий или относительное
увеличение объемов заглубленной части зданий.
5. Введение внешних конструктивных элементов, обеспечивающих дополни-
тельный приток к зданию энергии возобновляемого источника.
6. Сочетание в различных вариантах и мультипликация приемов, изложен-
ных выше.
В. На стадии конструктивной разработки зданий.
1. Повышение теплозащитных свойств ограждений следующими способами:
наращивание толщины однородного ограждения или теплозащитного слоя
в слоистом ограждении до значения, обеспечивающего минимум приведенных
затрат либо заданный минимальный уровень расхода энергии на термостатиро-
вание здания;
применение эффективной теплоизоляции, в том числе легчайшей, плитного,
рулонного или сыпучего типа, обеспечивающей достижение тех же целей;
введение в ограждение массивного теплоинерционного слоя, например воды,
грунта, каменной наброски;
введение воздушных прослоек и их экранирование, герметизация и сквозное
проветривание;
экранирование ограждения (преимущественно внешнее), применение насып-
ного защитного слоя из гравия или других материалов, уменьшающих энергети-
ческую проницаемость конструкции;
применение различной степени вакуумирования ограждений или введение
в них вакуумированных элементов;
уменьшение тепловой черноты поверхностей воздушных прослоек или ваку-
умированных элементов;
геометрическая трансформация ограждений или их элементов, например эле-
ментов защиты светопроемов, с целью регулирования термического сопротивле-
ния до значения, не меньшего, чем сопротивление глухих участков конструкции;
применение травяного или иного растительного слоя, нанесенного на ограж-
дение или размещенного между его конструктивными элементами с целью по-
вышения защитных свойств грунта;
применение инженерных решений, основанных на свойствах электростати-
ческого, электромагнитного, магнитного и других силовых полей, для регулиро-
вания термического сопротивления и теплопередачи в ограждениях, например
введение антистатической защиты конструкций, сохраняющей их прозрачность
или другие параметры лучистого теплообмена на высоком исходном уровне;
сочетание в различных вариантах и мультипликация приемов, изложенных
выше.
61
Другие специальные приемы повышения энергоэкономичности конструкций,
технологически или функционально связанные с разработкой или применением
энергоактивных элементов, рассмотрены в пп. 2.2—2.5 во взаимосвязи с тем или
иным возобновляемым источником энергии, на утилизацию которой ориентиро-
вано здание.
В заключение необходимо обратить особое внимание на исключительно важ-
ную роль, которую играют в обеспечении энергетической и не только энергети-
ческой экономичности зданий факторы огражденности и компактности. Для это-
го назовем коэффициентом огражденности здания ц отношение суммы площа-
дей наружных ограждений ZFH.o к объему Узд:
<21>
и отметим в качестве исходных аксиом, что из множества прямоугольных зданий
равного объема наиболее компактно и имеет наименьшее значение коэффициен-
та огражденности здание кубической формы, причем с возрастанием объема
значение р. уменьшается.
Далее, сохраняя постоянным объем и варьируя форму здания, мы тем самым
неизбежно изменяем суммарную площадь наружных ограждений S FHO, коэф-
фициент огражденности р, и компактность здания. Приняв в качестве эталона
компактного решения здание кубической формы, можно количественно выразить
относительную некомпактность других форм зданий через коэффициент неком-
пактности у, равный отношению коэффициентов огражденности здания конкрет-
ной формы рзд и эталона рэТ:
7 = РЗД/РЭТ. (2.2)
который при 1/зд = 1/эт с учетом формулы (2.1) равен отношению площадей на-
ружных ограждений зданий:
7 =S3fl/SF3T. (2.2')
ЗД- н.о н.о v '
Так, при застройке жилого микрорайона двенадцатиэтажными зданиями
один и тот же полезный объем Узд.=94500 м3 может быть решен в виде десяти
башен размером 15Х 15X42 м или в виде одного здания размером 12Х 187Х
42 м. Первое из этих решений имеет коэффициент некомпактности 2,65, а вто-
рое — 1,83, т. е. на 44% экономичнее. Применение второго варианта взамен пер-
вого на 44% снижает материалоемкость и стоимость наружных ограждений, при
этом пропорционально снижается расход энергии на отопление при прочих рав-
ных условиях. Раздвигая границы сопоставимых вариантов, в том числе до
экстремумов, можно показать, что теоретически наилучшие по компактности
объемно-планировочные решения зданий могут иметь коэффициенты огражден-
ности, а следовательно, показатели расхода материалов на ограждения и энер-
гии на термостатирование, в 5—9 раз более экономичные, чем аналогичные по-
казатели экстремально худших в этом отношении вариантов.
Дальнейшее повышение энергетической экономичности здания связано
с применением энергоактивных систем, рассчитанных на возобновляемые источ-
ники энергии с различной степенью замещения ими энергии невозобновляемых
источников.
По степени долевого замещения энергии традиционных источников может
быть принята следующая условная градация энергоактивности зданий:
' здания малой энергоактивности (замещение до 10%);
здания средней энергоактивности (замещение от 10 до 60%);
здания высокой энергоактивности (замещение более 60, но не менее 100%);
здания энергетически автономные (замещение 100%);
здания избыточной энергоактивности (возможное замещение энергии пре-
вышает собственные потребности, часть энергии может быть передана другим
объектам).
62
Отметим, что две последние категории энергоактивных зданий требуют наи-
больших дополнительных капитальных затрат и поэтому могут применяться
лишь при наличии специальных технико-экономических обоснований либо в си-
стеме, состоящей из группы зданий, образующих единый энергетический комп-
лекс с межобъектным перераспределением энергии возобновляемого источника.
2.2. Архитектурно-строительные приемы
разработки гелиоэнергоактивных зданий
Здания и сооружения, снабженные устройствами, предназначенными для
тепло- и холодоснабжения, приготовления горячей воды либо выработки других
видов энергии за счет улавливания и преобразования энергии Солнца, целесооб-
разно называть гелиоэнергоактивными [1—3]. Иногда такие здания называют
солнечными.
Архитектура солнечных зданий призвана отображать суть научно-техниче-
ских идей, относящихся к гелиотехнике, с интерпретацией их через технические
решения конструктивных элементов и целенаправленно разрабатываемые фор-
му и ориентацию облучаемого объекта. Специальные приемы архитектурного
проектирования формы и ориентации таких зданий и дополнительные требова-
ния к ним, вытекающие из свойств поля солнечной радиации (см. п. 1.1), направ-
лены на повышение их энергетической и экологической эффективности и эконо-
мичности. Регулирование с помощью таких приемов солнечных энергоресурсов
зданий и фактический уровень их использования могут варьироваться в широ-
ких пределах как на стадии градостроительного и архитектурного проектиро-
вания, так и в процессе эксплуатации. Гелиотехнические требования к градо-
строительному проектированию энергоактивных зданий и адекватные им прие-
мы сводятся к следующему.
При выборе площадки и конкретной привязке к ней гелиоэнергоактивного
здания нужно принять такую удаленность последнего от других объектов, чтобы
обеспечить незатеняемость всего здания или, по крайней мере, приемных эле-
ментов его гелиоустановки другими зданиями, инженерными сооружениями или
окрестными рельефными образованиями круглогодично или в период работы
гелиоустановки.
Гелиоэнергоактивное здание или сооружение может быть размещено авто-
номно или привязано к системе других зданий, расположенных вместе с ним на
открытой горизонтальной площадке, на солнечном склоне естественного или
искусственного рельефного образования либо у его подножья. Кроме того, на
склоне рельефного образования могут быть выполнены или размещены отража-
тели, усиливающие солнечную облученность энергоактивного здания. В комп-
лексных решениях возможно частичное или полное введение энергоактивного
здания (сооружения) в солнечный склон рельефного образования. Примеры
различных градостроительных решений привязки энергоактивных зданий по-
казаны на рис. 2.1 '.
Выбор конкретной схемы привязки здания зависит от необходимой степени
энергозамещения, определяемой дефицитом энергии или экономическими обо-
снованиями. Одновременно должен быть решен вопрос о выборе типа гелио-
установки для проектируемого здания и необходимой площади коллектора. Для
этого определяют солнечные энергоресурсы здания и отдельных его элементов
(стен, покрытия) и устанавливают диапазон возможных изменений ресурсов
в соответствии с методикой п. 1.1. Затем, сопоставив ресурсы с потребностями
и решив вопрос об энергетически целесообразной и приемлемой по всем другим
1 Архитектурная обработка рисунков гл. 2 выполнена Е. С. Абдрахмановым.
63
Рис. 2.1. Варианты градостроительных решений размещения зданий на площадках с различным
рельефом местности и приемы повышения их энергетической экономичности и солнечной энерго-
активности
а — отдельно стоящее на открытой горизонтальной площадке незатеняемое здание со стационар-
ным коллектором солнечной энергии; б — то же, группа зданий, образующая энергетический комп-
лекс с перераспределением солнечной энергии между объектами; в — производственное здание у об-
работанного склона с повышенным отражением солнечной энергии; г — комплексное здание с внеш-
ними отражателями на южном склоне рельефного образования; д—группа многоэтажных домов
(жилые дома, санаторные корпуса) с общей системой отражателей; е — энергоактивное здание,
врезанное в южный склон рельефного образования; 1 — коллектор; 2 — отражатель
64
Т Солнечные дома -Т Томасона (США)
Михельсона (СССР) | ' '
Солнечный дом S Атаснаредо (США)
"У Масаносуне Янгимачи (Япония)
Рис. 2.2. Энергоактивные конструкции зданий, совмещенные с коллектором солнечной энергии
а — скатное покрытие; б — плоское покрытие; в — наружная стена здания; г — ограждение бал-
кона, лоджии; д — цоколь здания; е — автономный коллектор; / — коллектор солнечной энергии;
2 — аккумулятор; 3 — тепловой насос; 4 — каналы для теплоносителя; 5 — насос; 6 — радиатор;
7 — устройство для охлаждения теплоносителя
65
Рис. 2.3. Конструктивные приемы повышения энергетической активности зданий
а — частичный вынос коллектора солнечной энергии за габариты здания; б — размещение допол-
нительного (или основного) коллектора на смежном здании; в — вращение здания в режиме сле-
жения за солнцем; г — коллектор, следящий за солнцем; д — панельно-поворотный коллектор;
е — оптическое дополнение коллектора отражателем, совмещенным с внутренним ограждением зда-
ния; ж — то же, плюс внешний отражатель; з — применение поворотных экранов-отражателей;
1 — коллектор; 2 — гелиоприемник; 3 — селективно прозрачная защита; 4 — отражатель; 5 — по-
воротный защитный элемент; 6 — роликовые опоры вращения; 7 — воздухоопорный фундамент; 8 —
каналы для циркуляции теплоносителя
66
параметрам (технологическим, эстетическим) форме здания, выбирают один из
следующих вариантов компоновки и размещения энергоактивных элементов:
здание с автономными или накладными (навесными) энергоактивными
устройствами (обычное здание традиционных архитектурных решений, около
которого или на котором размещены приемники энергии, а также системы ее
преобразования, аккумулирования и использования);
здание с энергоактивными конструкциями (в здании с традиционным объем-
но-планировочным решением часть ограждающих конструкций выполнена поли-
функциональной, т. е. совмещена с коллектором, аккумулятором солнечной
энергии);
энергоактивное здание с повышенной энергетической экономичностью
(здание энергетически эффективной формы и ориентации, в котором использо-
вание солнечной энергии обязательно дополнено применением устройств и поли-
функциональных конструкций, снижающих его собственные энергозатраты).
Следующий гелиотехнический аспект архитектурного проектирования
здания заключается в выборе конструкций для размещения на них или совмеще-
ния с ними коллектора солнечной энергии. Для этого могут быть выбраны
(рис. 2.2.): скатное или плоское покрытие; наружные стены ориентаций, обеспе-
ченных солнечной энергией; ограждения балконов, лоджий или соляриев; окон-
ные проемы или зенитные фонари, солнцезащитные устройства; цоколь здания
или конструкции, расположенные ниже цоколя; автономно расположенный в
окрестностях здания коллектор или аккумулятор.
Если дефицит энергии превышает собственные солнечные энергоресурсы
здания, то производят технико-экономическое сравнение эффективности градо-
строительных приемов повышения притока солнечной энергии, достигаемого
применением внешних направленно отражающих экранов, а также следующих
архитектурно-строительных приемов (рис. 2.3):
частичный вынос гипертрофированного коллектора за конструктивные габа-
риты здания или применение дополнительного автономного коллектора, энерге-
тически связанного со зданием;
размещение дополнительного коллектора на смежном энергетически индиф-
ферентном (обычно вспомогательном) объекте: гараже, теневом навесе, бесед-
ке, трансформаторной будке или совмещение коллектора с конструкциями этих
объектов;
вращение энергоактивного здания в режиме слежения за солнцем или иные
цикличные перемещения, увеличивающие улавливание и аккумуляцию солнеч-
ной энергии;
введение коллектора, следящего за солнцем;
другие виды трансформации ограждений, повышающие их энергоактивность
и энергетическую экономичность;
применение внутренних отражателей, повышающих концентрацию солнеч-
ной энергии на гелиоприемнике и соответственно экономичность коллектора;
введение внешних отражателей, увеличивающих энергоактивность свето-
проемов и коллекторов солнечной энергии;
снабжение отражателями трансформируемых элементов здания (защитных
створок на окнах, зенитных фонарях, в системе коллекторов солнечной энергии);
снабжение направленными отражателями смежных зданий и сооружений
с целью повышения энергооблученности приемников проектируемого здания;
сочетание в различных вариантах и мультипликация приемов, изложенных
выше.
В вариантах размещения части коллекторов или отражателей на смежных
строительных объектах, которым солнечная энергия не нужна, реализуется идея
строительного гелиокомплекса, включающего группу зданий и сооружений,
образующих единую гелиосистему, объекты которой дополняют друг друга по
принципу взаимного перераспределения энергии в зависимости от ее дефицита
67
Рис. 2.4. Группировка зданий и сооружений в строительные гелиокомплексы. повышающие энер-
гетическую эффективность зданий в поле солнечной радиации
а — подвижное опирание на ствол башни маяка или другого осесимметричного объекта двух оби-
таемых энергоактивных объемных блоков с возможностью их вращения в режиме слежения за
солнцем и дополнительного снабжения солнечной энергией от поворотных экранов-отражателей
(СССР); б —дополнительное снабжение коллектора автономного здания солнечной энергией от
направленно отражающих экранов, регулируемо укрепленных на стволе радиорелейной мачты или
другой высотной опоры инженерного сооружения (СССР); / — коллектор; 2 — отражатель; 3 — вы-
сотное сооружение; 4 — мобильный энергоактивный блок
Рис. 2.5. Строительный
гелиокомплекс Н. П. Се-
ливанова (СССР), образо-
ванный из группы зданий,
которые концентрирован-
но отражают солнечную
энергию на единый кол-
лектор (солнечную энер-
гетическую централь),
совмещенный с верхней
частью стены здания по-
вышенной этажности
Рис. 2.6. Здания с размещенными на них ветроколесами
68
или избытка (см. рис. 2.1, б-д, 2.3, б и 2.4). Другой принцип образования строи-
тельного гелиокомплекса как единой энергоактивной системы имеет в основе
централизованный сбор солнечной энергии от группы зданий или сооружений,
преобразование ее в средне- или высокотемпературной установке и последующее
снабжение преобразованной (тепловой, электрической) энергией объектов
комплекса (рис. 2.5).
2.3. Ветроэнергоактивные здания как направление
в архитектурном и инженерном проектировании
(принципы подхода)
Ветер традиционно учитывают в градостроительном, архитектурном и тепло-
техническом аспектах проектирования зданий. Расчетными факторами являют-
ся скорость и распределение направлений ветра — роза ветров. С учетом ветра
решаются следующие основные вопросы градостроительного проектирования:
взаимное расположение промышленных зон и селитебных территорий с точки
зрения уменьшения загрязненности воздушного бассейна промышленными вы-
бросами в атмосферу, а также оптимизация аэродинамического режима микро-
районов городов и промышленных объектов. В архитектурном и теплотехниче-
ском проектировании ветер учитывается как фактор аэродинамического давле-
ния через расчетную ветровую нагрузку на конструкции, а также при разработке
систем аэрации зданий и проведении расчетов воздухопроницаемости и вентиля-
ции ограждающих конструкций. При этом кинетическая энергия ветра, преоб-
разующаяся при взаимодействии с неподвижными конструкциями здания
в фактор давления (положительного или отрицательного), а также порождаю-
щая инфильтрацию, в том числе холодного воздуха, в помещения и обусловлен-
ные этим повышенные теплопотери зданий в отопительном сезоне, естественно,
рассматривается специалистами как негативный природно-климатический
фактор.
Попытки использовать энергию ветра для оптимизации энергетического
баланса зданий и экономии энергии других источников, предпринимавшиеся
в разных странах, сводятся к размещению в окрестностях здания или на его
конструкциях известных ветродвигателей одноцелевого назначения (рис. 2.6)
и не имеют прямого отношения к архитектурно-строительному проектированию
зданий.
Наша задача заключается в выработке представления о ветроэнергоактив-
ном здании как объекте жилого, промышленного, сельскохозяйственного или
иного назначения, конструкции которого наделены дополнительной функцией
улавливать и преобразовывать энергию ветра в другие полезные виды энергии—
электрическую, тепловую, механическую. Одновременно необходимо определить
основные приемы и дать исходные рекомендации по проектированию ветроэнер-
гоактивных зданий на основе принципа полифункциональности. Для выработки
таких представлений необходимо учитывать следующее:
ветер как возобновляемый источник энергии, взаимодействуя со зданиями,
представляет собой производную от солнечной энергии, выраженную в виде
адвективного перемещения в приземном слое воздушных масс, наделенных кине-
тической и тепловой энергией;
энергетическое воздействие ветра на здание характеризуется интенсив-
ностью и направленностью, а также периодическими или апериодическими из-
менениями этих величин;
здание-или комплекс зданий, в свою очередь, деформируют воздушные пото-
ки, дополнительно турбулизируют их, внося локальные изменения в направле-
ние и местную интенсивность потоков, порождаемых ветром.
Практическое использование энергии ветра зданиями возможно путем уси-
69
ления локального воздействия конструкций на воздушный поток и отбора энер-
гии подвижными трансформируемыми элементами здания или его инженерного
оборудования. Отсюда вытекают следующие принципы проектирования ветро-
энергоактивных зданий.
Принцип первый: ветроэнергоактивное здание должно быть снабжено под-
вижно укрепленными элементами полифункционального назначения с возмож-
ностью их трансформации в элементы ветроколеса.
Принцип второй: ветроэнергоактивное здание может быть снабжено защит-
ными конструктивными элементами полифункционального назначения, форма
и пространственная ориентация которых обеспечивают деформирование потоков
ветра и их местную интенсификацию в зоне активной работы элементов ветро-
колеса.
Принцип третий: часть ветроэнергоактивного здания может быть спроекти-
рована в форме, удобной для размещения около или вокруг нее двигателя ветро-
энергоустановки, состоящего преимущественно из элементов полифункциональ-
ного типа.
Принцип четвертый: ветроэнергоактивное здание может быть спроектирова-
но в форме, обеспечивающей улавливание ветра и концентрированную подачу
воздушных потоков к элементам ветроколеса или системы ветроколес (лепест-
ковое расположение секций зданий с образованием концентратора, в узкой
части которого расположено ветроприемное устройство; то же, с дополнитель-
ным образованием диффузора из элементов здания).
Принцип пятый: здание используется в качестве опоры или как одна из опор
для крепления ветроустановки, запроектированной на основе принципа поли-
функциональности.
Принцип шестой: элементы ветроустановки ветроэнергоактивных зданий
могут быть функционально совмещены с элементами энергетических систем,
рассчитанных на другие возобновляемые источники, например на солнечную
энергию.
Дальнейшее повышение эффективности использования энергии ветра зда-
ниями может быть обеспечено различными градостроительными приемами.
1. На основании изучения статистических метеоданных, характера рельефа,
степени открытости площадки и, если это необходимо, экспериментальных дан-
ных, например результатов продувки в аэродинамической трубе, выявляют зоны
наибольшей обеспеченности энергией ветра на территории микрорайона или
города, в пределах которой может быть.привязано проектируемое энергоактив-
ное здание. Привязку здания осуществляют в зоне, наиболее обеспеченной
энергией ветра, на расстоянии от других объектов, исключающем возможность
аэродинамического затенения его энергоактивных систем, и ориентируют его
с учетом розы ветров, если эффективность работы его ветроустановки зависит
от направления ветра.
2. Изучают природно-экономические факторы целесообразности оптимиза-
ции рельефа местности с целью организации аэродинамических русел и исполь-
зования их для снабжения ветроустановок зданий концентрированными потока-
ми ветровой энергии.
3. Если намечается одновременное или последовательное строительство не-
скольких зданий, из которых одно или более относятся к ветроэнергоактивным,
рассматривают возможности их взаимного расположения, усиливающего общий
аэродинамический эффект, направленный на концентрацию энергии и интенси-
фикацию подачи воздушных потоков к ветроустановке или системе ветроуста-
новок зданий, образующих в совокупности строительный ветроэнергоактивный
комплекс.
В качестве ветроэнергоактивных конструкций могут быть использованы
покрытия, стены, преимущественно в верхней части здания, защитные элементы
светопроемов (зенитных фонарей), конструкции экранов и надстроек.
70
Трансформацию элементов здания в ветроактивную установку осуществляют
по одной из следующих схем:
с вертикальной осью (в рабочем положении) ветроколеса, индифферентного
к направлению ветра;
то же, с ветроколесом, зависящим от направления ветра и наделенным систе-
мой изменения его ориентации (по ветру);
то же, без системы ориентации и с обеспечением наиболее эффективной
работы только при господствующем направлении ветра;
горизонтальной или наклонной осью ветроколеса или турбины, эффектив-
ность работы которых может зависеть или не зависеть от направления ветра.
Первый (простейший) принцип проектирования ветроэнергоактивных
зданий, основанный на трансформации полифункциональных элементов ограж-
дающих конструкций в элементы ветроколеса, реализуют посредством следую-
щих приемов.
1. Используют для этих целей поворотные створки защиты светопроемов
(преимущественно на покрытии), вентиляционных шахт или локальных над-
строек другого назначения.
2. Придают защитным створкам до определенной степени аэродинамическую
форму, например, деформируя их по типу ротора Савониуса и снабжая верти-
кальной или горизонтальной осью вращения и прикрепляют к ограждению:
а) вертикальную ось одним из концов через промежуточный шарнир, обе-
спечивающий возможность складывания оси в определенной плоскости под
углом, достаточным для наложения створки-ротора на защищаемую конструк-
цию светопроема здания;
б) горизонтальную ось шарнирно за один или оба конца с возможностью
параллельных возвратно-поступательных смещений в направлении от огражде-
ния или к нему в диапазоне, достаточном для обеспечения в одном из экстрему-
мов беспрепятственного вращения створки как элемента ветроколеса, и, на-
оборот, плотного примыкания створки к защищаемой конструкции в другом
крайнем положении оси (рис. 2.7).
3. Подсоединяют к оси ротора генератор для преобразования механической
энергии вращения, например в электрическую, и сообщают его с энергосистемой
здания.
Такую же совокупность приемов применяют при разработке других схем
ветроэнергоактивных конструкций аналогичного назначения.
Второй принцип повышения эффективности работы трансформируемого
ветроколеса путем подачи к нему дополнительных масс воздуха реализуется
следующим образом.
1. Один из защитных элементов с развитой площадью, например теневой
навес над эксплуатируемым покрытием здания, проектируется полифункцио-
нальным и ему придается форма воздухозаборного устройства (рис. 2.8) —
нагнетающего (концентратора) либо комплексного нагнетающе-разреживаю-
щего (концентратор + диффузор).
2. В зоне минимального миделя прослойки между экраном и покрытием раз-
мещают, частично или полностью перекрывая щель, систему ветроколес с верти-
кальной осью, ориентированной поперек перекрываемой щели, или устанавли-
вают ветротурбину с горизонтальной осью.
3. На оси ветроустановки размещают генератор энергии, например электри-
ческой или тепловой, и сообщают его с энергосистемой здания.
Третий принцип совмещения части здания с ветроустановкой реализуют сле-
дующими приемами архитектурного и конструктивного проектирования.
1. Исходя из энергетических потребностей здания и удельных ветроэнергети-
ческих ресурсов, выбирают часть здания для превращения ее в ветроэнерго-
активную.
2. Придают выбраной части здания необходимую аэродинамическую форму,
71
Рис. 2.7. Ветроэнергоактивные элементы
зданий
а. б — группа зенитных фонарей с защитными
створками, трансформируемыми в лопасти
ветроколеса; в — зенитный фонарь с пово-
ротным экраном, трансформируемым в ротор
Савониуса; г — то же. с вертикальной осью
и полопастной трансформацией каждого полу-
ротора (лопасти опущены и закрывают свето-
проемы фонарей, расположенные в шахмат-
ном порядке; лопасти установлены в режиме
вращения, светопроемы открыты для солнеч-
ных лучей); 1 — экран, лопасть; 2 — зенитный
фонарь; 3 — ось ветроколеса
Рис. 2.8. Конструктивные схемы ветроэнерго-
активных зданий с солнцезащитным экраном.
трансформированным в концентратор и диф-
фузор ветрового потока
а — крыша с односкатным экраном, выполнен-
ная в виде концентратора ветровой энергии;
б — то же, с продленным экраном, образую-
щим с подветренной стеной малый диффузор;
в — покрытие с двускатным экраном с улуч-
шенными аэродинамическими качествами кон-
центратора и диффузора ветра; г, д — здание
с комплексными аэродинамическими и солнце-
защитными экранами; / - - экран; 2 — ветро-
колеса (турбина); 3— концентратор воздуш-
ного потока; 4 — диффузор
например вертикального цилиндра или близкого к нему многогранника, вокруг
которого соосно с ним размещают ветротурбину (рис. 2.9.).
3. Ветротурбину проектируют в полифункциональном исполнении, для чего
лопасти выполняют, например, шарнирно прикрепленными вдоль их внутренней
вертикальной кромки с возможностью разворота до касания со смежной ло-
пастью и образования таким образом внешнего защитного кожуха, снижающего
теплопотери здания или регулирующего инсоляцию и выполняющего другие
защитные функции.
Приемы, реализующие четвертый, пятый и шестой принципы проектирования
ветроэнергоактивных зданий, показаны соответственно на рис. 2.10—2.12.
Рассмотренные выше примеры, иллюстрирующие приемы проектирования
ветроэнергоактивных зданий, даны с целью показать пути подхода к инженер-
ным решениям проблемы использования энергии ветра и включения ее в энерго-
баланс здания. При этом представляется естественным, что каждый из перечис-
ленных принципов может быть развит в направление проектирования соответ-
ствующих типов зданий с разработкой ряда новых оригинальных решений ветро-
установок, совмещенных с конструкциями зданий. А общий эффект использова-
ния энергии ветра может быть повышен путем мультипликации и комбинирован-
ного применения на одном объекте или комплексе зданий изложенных выше
приемов проектирования различных ветро- и других энергоактивных систем.
2.4. Архитектурные и конструктивные приемы
проектирования зданий с использованием гидротермальной
и геотермальной энергии
Гидротермальная и геотермальная энергия как возобновляемые виды энер-
гии существенно отличаются от солнечной и ветровой по физической сущности
и важнейшим параметрам: это низкопотенциальная тепловая энергия, накоплен-
ная в естественном аккумуляторе высокой энергоемкости, характеризующаяся
повышенной стабильностью энтальпии и температуры, изменения которых
имеют слабо выраженный сезонный и суточный ход, уменьшающийся с глуби-
ной, отсчитываемой от дневной поверхности.
Общая для данных источников принципиальная схема использования возоб-
новляемой энергии включает:
узел подачи или отбора энергии внешнего источника с непосредственным
подводом теплоносителя к конструкциям здания в одноконтурных вариантах
теплообмена или включающий теплообменник в двухконтурных вариантах при
повышенной загрязненности или агрессивности теплоносителя в естественном
аккумуляторе (грунтовая вода на химическом предприятии, производственные
стоки);
систему каналов для подачи теплоносителя в здание или его рециркуляции
между аккумулятором и потребителем;
насос для принудительной регулируемой циркуляции теплоносителя в си-
стеме;
теплообменники системы термостатирования здания, имеющие развитую
площадь и обычно совмещаемые с ограждающими конструкциями здания.
Кроме того, дополнительно могут быть установлены блок тепловых насосов
и резервный аккумулятор энергии, например, теплоизолированная емкость
с нагретой водой для системы горячего водоснабжения здания.
К градостроительным приемам проектирования энергоактивных зданий
с использованием гидро- и геотермальной энергии относятся:
выбор места строительства энергоактивного здания исходя из энергетиче-
ской оценки площадки, включая вариантное сравнение обеспеченности возобнов-
ляемой энергией соответствующего вида, доступности и простоты извлечения
энергии, сравнение исходных теплотехнических параметров теплонасыщенной
73
Рис. 2.9. Энергоактивные здания с ветроколесом в виде вертикального цилиндра, охватывающего
цилиндрический объемный элемент (технический этаж, машинное отделение, муфта)
/ — цилиндрический блок здания; 2 — ветроколесо; 3 — трансформируемые лопасти
Рис. 2.10. Гипотетические решения ветроэнергоактивных зданий, обеспечивающих улавливание
и концентрированную подачу воздушных потоков к ветроколесу
а — здание с концентратором ветра; б—г — вариантные решения здания с концентратором и диф-
фузором; 1 — воздушный канал-концентратор; 2 — ветроколесо; 3 — технический или технологи-
ческий этаж; 4 — диффузор
74
Рис. 2.11. Энергоактивное здание с опертым на него ветроколесом и крышей специальной аэроди-
намической формы
Рис. 2.12. Здание с комплексной ветро-гелиоустановкой полифункционального типа
75
субстанции и возможного теплоносителя, например геотермальных вод; основ-
ной критерий предпочтительности того или иного варианта — минимум приве-
денных затрат на единицу энергии, получаемой от возобновляемого источника;
градостроительное обеспечение региона проектируемого энергоактивного
здания, свободного от размещения на нем других однотипных с проектируемым
энергоактивных зданий, использующих тот же источник энергии, т. е. выделение
примыкающей к зданию внешней площадки, достаточной для размещения пи-
тающего здание внешнего гидро- или геотермального коллектора; например, для
энергоснабжения одноэтажного коттеджа на широте Ленинграда за счет тепло-
ты, извлекаемой из грунта посредством коллектора в виде змеевика из труб, за-
ложенных на глубине около 1 м, необходим участок площадью 0,2—0,5 га.
В пределах приведенной выше общей схемы проектирование энергоактивных
зданий с использованием гидро- и геотермальной энергии имеет особенности,
специфические для каждого вида энергии. Рассмотрим их отдельно.
2.4.1. Конструктивные приемы проектирования гидроэнергоактивных зданий.
Вода как источник энергии может применяться в системах термостатирования
производственных и других зданий с отдачей или отбором тепловой энергии
в зависимости от ее дифицита или избытка в тепловом балансе здания. При этом
возможны следующие варианты гидроэнергоснабжения здания:
напорный поток сбросных вод ТЭЦ, промышленных объектов или вод, пода-
ваемых из реки (например, частичный отвод горного водостока), с теплообме-
ном, осуществляемым при открытом настильном перетекании струй по поверх-
ности конструкций зданий;
то же, с частичным или полным пропуском потоков гидротеплоносителя
в полостях ограждающих конструкций здания или комплекса зданий;
напорная подача воды через трубчатые теплообменники, размещенные
в ограждениях здания и подключенные к водопроводу;
то же, с забором воды из водонасыщенного слоя грунта или водоема в окре-
стностях здания.
В ситуациях, когда вода из источника гидротермальной энергии не может
быть непосредственно подана в теплообменные системы здания ввиду ее непри-
годности по тем или иным причинам, для отбора тепловой энергии в слое воды
или водосодержащем слое аккумулятора размещают вторичный контур с замк-
нутой циркуляцией в нем жидкостного или воздушного теплоносителя. К анало-
гичному конструктивному приему прибегают в тех случаях, когда в отопитель-
ном сезоне отбор теплоты намечается производить в режиме фазовых превра-
щений, т. е. замораживая воду в грунте или в водоеме в зоне размещения кана-
лов теплообменника.
Принцип полифункциональности при проектировании энергоактивных зда-
ний гидротермального типа реализуют, совмещая водозаборные конструкции,
теплообменные и циркуляционные каналы с конструкциями здания.
Для вариантов, когда теплосодержащая масса статически сосредоточена
в водонасыщенном слое или водоеме и по высотным отметкам соотносится с кон-
струкциями нулевого цикла здания, элементы гидроэнергоактивной системы
совмещают с фундаментом, используя приемы проектирования, применяемые
в гидротехническом строительстве, и применяя такие технические решения
элементов фундамента, как гидролоток и водоприемный колодец.
Альтернативный технический прием заключается в выполнении фундамента
гидроэнергоактивного здания в виде резервуара (рис. 2.13), конструкция кото-
рого аналогична конструкции фильтров грубой и тонкой очистки, применяемых
в системе водозаборных сооружений. При этом в связи с новой теплотехнической
функцией известной конструкции, применяемой по новому назначению, огражде-
ния резервуара могут быть теплоизолированы, а как несущие элементы фунда-
мента они должны быть запроектированы под эксплуатационные нагрузки от
опертого на них здания.
76
При относительно глубоком залегании грунтовых вод, используемых для
гидроэнергоснабжения здания, возможен другой конструктивный прием поли-
функционального использования конструкций фундаментов в виде полых тепло-
обменных свай, аналогичный используемому при строительстве на вечномерзлых
грунтах (рис. 2.14).
В вариантных решениях, предусматривающих подачу воды в виде струй,
перетекающих поверху здания, теплообменник совмещают с наружной поверх-
ностью омываемых струями воды конструкций — покрытия, стен, светопроемов.
Обычно теплообменником в таких решениях фактически является непосредст-
венно омываемый водой слой ограждения. При этом важнейшей практической
задачей представляется надлежащее обеспечение повышенной гидроизоляции
конструкций. Этот же фактор следует учитывать при обеспечении эксплуата-
ционных качеств всех типов конструкций с гидроколлекторами, совмещенных
с ограждающими конструкциями зданий.
Рассмотрим приемы проектирования энергоактивных ограждений с гидро-
коллекторами. Гидроколлектором энергоактивного ограждения целесообразно
называть совмещенное с ограждением теплотехническое устройство, включаю-
щее теплообменник для низкопотенциального жидкостного теплоносителя, пред-
назначенный для термостатирования ограждения (обогрева или охлаждения).
Гидроколлекторы, предназначенные для непреобразованного низкопотен-
циального теплоносителя, размещают в полости ограждения в любой части по
толщине сечения ограждения, в том числе в подэкранной. Возможны гидрокол-
лекторы открытого, полуоткрытого и закрытого типа (рис. 2.13—2.15). Гидро-
коллекторы открытого и полуоткрытого типа, примененные в качестве самостоя-
тельного ограждения или заполнения проема в ограждении, при наличии сквоз-
ных отверстий или щелей в коллекторе, сообщающих внутренний воздух поме-
щения с наружным, могут дополнительно выполнять функции частичного кон-
диционирования воздуха. Такими же свойствами обладают несквозные гидро-
коллекторы с частично открытым переливом воды, осуществляемым по поверх-
ностям элементов, обращенным в сторону помещения и сообщенным с ним.
Гидротермальные коллекторы в общем случае могут применяться в зданиях
в системах с энергетическим дублером или доводчиком теплотехнических пара-
метров теплоносителя либо непосредственно внутренней среды в помещениях
до уровня, обеспечивающего необходимый экологический комфорт.
Гидротермальные коллекторы закрытого типа с улучшенным потенциалом
теплоносителя и температурой, достаточной для требуемого обогрева или ох-
лаждения помещений, выполняют совмещенными со слоями ограждения, обра-
щенными в сторону помещения, в виде внутренней облицовки стены, покрытия
(перекрытия) либо в виде глухого экрана или с подэкранной прослойкой, со-
общенной с помещением.
Такие гидроколлекторы конструктивно и функционально совпадают с техни-
ческими решениями отопительных и охлаждающих устройств панельно-радиа-
ционного или радиаторного типа. Их конструктивной особенностью является
повышенная площадь поверхности, что обусловлено необходимостью обеспечить
достаточный нагрев помещения при относительно невысоких температурах по-
верхности коллектора в режиме отопления, а также необходимостью исключить
выпадение конденсата на поверхности ограждения-коллектора в режиме охлаж-
дения помещения. Для удовлетворения этих требований коллектор, как прави-
ло, занимает всю площадь стены, покрытия (перекрытия) или проема светотех-
нического или вентиляционного назначения.
Элементы гидроэнергоактивных систем здания, соприкасающиеся с водой
или находящиеся в зоне повышенного увлажнения, выполняют из водостойких,
водонепроницаемых, преимущественно некорродирующих или надежно защи-
щенных от коррозии материалов: алюминия, шлакоситалла, пластмасс, эмали-
рованной стали. Теплообменные элементы двухконтурной системы, непосредст-
77
венно соприкасающиеся с агрессивной средой (химически активные производ-
ственные стоки, геотермальные воды с высокой минерализацией), должны быть
выполнены из химически стойких материалов (нержавеющая сталь, теплопро-
водные пластмассы) либо надежно защищены от прямого контакта с агрессив-
ным агентом.
Конструктивные решения ограждений с гидроколлекторами в системе гидро-
энергоактивных зданий рассмотрены в п.9.2.
2.4.2. Архитектурно-строительные приемы проектирования зданий, работаю-
щих с использованием геотермальной энергии. Принимая во внимание сочетание
теплотехнических и физико-механических свойств верхнего слоя литосферы как
возобновляемого источника геотермальной энергии, можно сформулировать
78
Рис. 2.13. Конструктивные решения зданий с гидротермальными коллекторами
а, б — открытого типа; в, г - закрытого типа
79
следующие общие приемы проектирования энергоактивных зданий геотермаль-
ного типа.
1. Массив грунта в основании или окрестностях здания может быть подклю-
чен к системе тепло- и холодоснабжения здания через размещенный в нем тепло-
обменник, выполненный в виде системы труб или иных каналов с жидкостным
или воздушным теплоносителем.
2. В массив грунта для улучшения его тепломассообменных свойств может
быть вмонтирован массив щебня или галечника с повышенной воздухо- и водо-
проницаемостью, выполненный в виде единого блока, например, при обратной
засыпке котлована либо в виде аналогично заполненной системы траншей.
3. Массив грунта, используемый как аккумулятор и источник возобновляе-
мой энергии, может быть теплоизолирован, по крайней мере, в верхней части
в зоне, примыкающей к зданию с внешней стороны или расположенной за его
наружным контуром (рис. 2.16). Теплоизоляция может быть выполнена стацио-
нарной или трансформируемой, например в виде съемных щитов.
4. В целях повышения теплоэнергоемкости массива грунта последний может
быть гидроизолирован и после этого искусственно насыщен водой. Такое реше-
ние применяют, когда выбранный массив расположен в неводоносных фильт-
рующих слоях, состоящих из крупнообломочных пород, крупного песка.
5. Для обеспечения возможности повышения энергетического потенциала
массива грунта его гидроизолируют и теплоизолируют путем комбинированного
использования геотермальной энергии в сочетании с другими видами возобнов-
ляемой энергии, преимущественно солнечной, и дополнительно проводят следую-
щие мероприятия:
снабжают массив системой теплообменных каналов, регулируемо сообщен-
ных с энергоактивным зданием, коллекторами солнечной энергии или атмосфе-
рой; выбор того или иного варианта комбинированного энергоснабжения дол-
жен быть предварительно обоснован технико-экономической оценкой сравни-
тельной эффективности типов систем с учетом конкретных особенностей данного
объекта и природно-климатических факторов, после чего принимают решение об
использовании в качестве теплоносителя воздуха или воды;
подключают каналы к системе принудительной циркуляции теплоносителя
(блок насосов, если теплоноситель — вода, или блок вентиляторов, если тепло-
носитель — воздух);
для воздушного теплоносителя в сочетании с неводонасыщенным массивом
грунта применяют открыто сообщенные с ним конструкции теплообменных кана-
лов (перфорированные трубы или заполненные щебнем траншеи);
для воздушного теплоносителя и водонасыщенного массива грунта прини-
мают меры, предотвращающие заполнение теплообменных каналов водой и на-
рушение их нормального функционирования (сплошная герметизация стенок
каналов и стыковых соединений, если давление теплоносителя в канале меньше
давления воды в теплоаккумулирующем массиве, и избирательная перфорация,
система щелей или открытая снизу полость горизонтального канала, если давле-
ние теплоносителя в нем превышает давление извне, по крайней мере, в период
активной работы системы);
для жидкостного теплоносителя применяют обратный набор конструктивных
мер: в неводонасыщенном или водонасыщенном, но химически агрессивном мас-
сиве грунта применяют систему труб, образующих закрытый автономный тепло-
обменный контур, а в водонасыщенном и неагрессивном массиве может быть
применена система перфорированных труб или незамкнутых каналов иного типа.
6. Массив грунта может быть конструктивно выполнен в виде насыпи с отко-
сами, обрамляющей часть или все стены здания (рис. 2.17), при этом:
насыпь может примыкать к наружным стенам на часть или всю высоту, а от-
кос обращен наружу; стена должна быть снабжена повышенной гидроизоляцией
в зоне контакта с насыпным грунтом;
80
насыпь может быть отделена от защищаемой стены воздушной прослойкой
посредством промежуточного экрана, воспринимающего давление грунта;
прослойка может быть продолжена в основании насыпи в виде системы регу-
лируемо сообщенных с ней горизонтальных или наклонных воздушных каналов
для сезонной циркуляции воздуха; это делается с целью повышения энтальпии
грунта в насыпи и оптимизации энергетического режима защищаемого здания
в летний и зимний периоды эксплуатации;
внешний откос насыпи может быть снабжен укрепляющим его и стабилизи-
рующим форму слоем растительности (кустарники или многолетние травы) либо
облицован плитными элементами, в том числе допускающими увеличение его
наклона до значений, превышающих угол естественного откоса;
на внешнем откосе, обращенном в сторону, интенсивно облучаемую солнцем,
могут быть размещены сезонные или стационарные круглогодичного действия
устройства для улавливания солнечной энергии и повышения энтальпии массива
грунта, выполненные, например, в виде простейших коллекторов типа «горячий
ящик» (укрепленная с образованием под ней воздушной прослойки и рециркуля-
цией нагретого воздуха пленка с улучшенными селективными свойствами одно-
стороннего пропускания лучистой энергии), либо в массив может быть дополни-
тельно вмонтирован трубчатый теплообменник;
насыпь может быть выполнена автономной и обращена откосом к защищае-
мой стене с конструктивным оформлением откоса по одному из вариантов, изло-
женных выше, либо облицовка откоса может быть снабжена отражателями, уси-
ливающими солнечную энергооблученность ограждений здания;
пространство между насыпью и зданием, например верхней кромкой соответ-
ствующей наружной стены здания, может быть сезонно (в отопительный пе-
риод) перекрыто светопрозрачным или непрозрачным элементом (вантовая
мембрана, сборно-разборный тент, трансформируемая воздухоопорная оболоч-
ка), снижающим тепловые потери здания;
в системе строительного комплекса, включающего параллельно расположен-
ные корпуса, например производственных зданий, насыпь между ними может
быть выполнена двухоткосной.
7. При ограниченной территории или иной необходимости экономить внеш-
нюю площадь массив грунта может быть выполнен в виде энергоемкого грунто-
заполненного экрана повышенной толщины либо конструктивно введен в ограж-
дение. При этом в качестве заполнителя могут быть использованы песок, галеч-
ник, щебень, ракушечник или другие местные материалы. Если же в районе
строительства имеется торф, в том числе низких сортов, или торфосодержащий
грунт, то их можно использовать в качестве засыпки.
В связи с этим необходимо отметить, что при определенном сроке эксплуата-
ции сооружения применение торфа непосредственно в конструкциях ограждения
как фактора энергетической защиты, увеличивающего термическое сопротивле-
ние и снижающего теплопотери здания, становится экономически более выгод-
ным, чем сжигание его в топках с целью теплоснабжения того же здания. Это
утверждение в полной мере справедливо также для всех видов бурого и каменно-
го угля, а в равной степени и для пустой породы, образующей терриконы, а так-
же для шлаков из отвалов, которые могут быть использованы без переработки.
2.5. Экспериментальные приемы разработки
биоэнергоактивных зданий и сооружений
Биогаз как конечный продукт многоступенчатой конверсии солнечной энер-
гии, первоначально ассимилированной в биологической массе и затем превра-
щенной в газообразное топливо, не создает принципиально новых задач при
81
2
Рис. 2.14. Здания с гидротермальным кол-
лектором, размещенным в водонасыщенном
слое грунта
а — система из концентрических труб в двух
ярусах, соединенных вертикальными трубами;
б — система горизонтально-параллельных
труб в одном или двух ярусах; в — система из
двух или более коллекторов, состоящих из
вертикальных труб, вынесенных за пределы
здания с циркуляцией в трубах теплоноси-
теля — легкокипящей жидкости; 1 — испари-
тель; 2 — конденсатор; 3 — аккумулятор; 4 —
радиатор (см. стр. 83)
Рис. 2.15. Гидроколлекторы полуоткрытого
типа
а — в конструкции стены, совмещенной с
коллектором солнечной энергии; б — в виде
солнцезащитного экрана у стены здания; 1 —
гидроколлектор; 2 — стена; 3 — селективно
прозрачная защита; 4 — водоприемник
б)
Рис. 2.16. Здание с геотермальным коллектором, дополненным коллектором солнечной энергии
Рис. 2.17. Здания с геотермальным коллектором в виде обрамляющей насыпи с различными си-
стемами аккумулирования и отвода теплоты
а — со стационарной или сезонной теплоизоляцией массива насыпи; бив — то же, с системой воз-
душных прослоек и дополнительно организованным солнечным подогревом массива; г и д—на-
сыпь (или выемка) с откосами, обращенными к зданию, с улучшенным светотехническим режимом
нижних этажей и возможностью сезонного перекрывания пространства между насыпью и зданием;
1 теплоизоляция; 2 — воздушная прослойка; 3 — коллектор солнечной энергии и селективно
прозрачная стационарная или трансформируемая защита; 4 — трансформируемое остекление
проектировании зданий, в которых он используется для отопления, охлаждения,
приготовления горячей воды и других технологических или экологических целей,
так как практически его можно применять в обычных газонагревательных холо-
дильных или отопительных установках, выпускаемых промышленностью и рас-
считанных на применение природного газа в тех же целях.
Поэтому наша задача заключается в другом, а именно, в формулировке и си-
стематизации экспериментальных приемов разработки биоэнергоактивных зда-
ний и сооружений, включающих реакторные блоки генерации биогаза (метан-
тенки) и блоки аккумулирования конечного продукта (биогаза) — носителя
энергии (газгольдеры). Речь идет, в первую очередь, о приемах повышения энер-
гетической экономичности, экологической целесообразности и улучшения’экс-
плуатационных качеств таких энергоактивных объектов за счет комплексного
использования возобновляемых источников энергии и рационального совмеще-
ния в проектируемых объектах функций конструктивных элементов и технологи-
ческих факторов на основе принципа полифункциональности.
Строительный энергетический комплекс, предназначенный для производства
биогаза и снабжения им зданий, в соответствии с технологическими требования-
ми, рассмотренными в п. 1.5, должен включать блок реакторов (метантенки),
снабженный блоками загрузки исходной продукции—биомассы, системами
перемешивания сбраживаемой массы, сепарации газа и его отвода и удаления
84
шлама, а также газгольдер или блок газгольдеров. Расход энергии в таком био-
энергокомплексе складывается из затрат на подогрев биомассы, обогрев блока
обслуживания, энергообеспечение механических процессов, перемешивания
массы, взламывания корки и осадка, перекачивание газа с изменением его пара-
метров и на фазовые превращения.
В градостроительном отношении биоэнергокомплексы различной мощности
могут быть размещены и технологически закоммутированы в качестве энерго-
блока следующим образом.
1. В сельской местности:
в системе территориально объединенных, сблокированных или локальных
животноводческих зданий (предприятий);
в агропромышленных комплексах, на предприятиях по переработке сельско-
хозяйственной продукции;
на специально организованных пунктах по комплексной утилизации отходов
сельскохозяйственного производства и переработке их в биогаз и высококачест-
венные удобрения;
в системе поселков, на объединенных полевых станах, базах по ремонту сель-
скохозяйственной техники;
на туристических базах, в пионерлагерях и домах отдыха.
2. На лесоразработках и примыкающих к ним территориях:
в системе поселков лесозаготовителей и в других населенных пунктах;
непосредственно в зоне лесоразработок для утилизации отходов лесозаготов-
ки (листьев, хвои, измельченных сучьев, коры, щепы) и превращения их в тран-
спортируемый баллонный газ;
на предприятиях по переработке древесины или объектах других отраслей
местной промышленности.
3. В городской застройке:
в системе промышленных предприятий;
в жилых микрорайонах.
Приемы повышения энергетической экономичности биоэнергокомплексов ос-
нованы на замещении собственных технологических энергозатрат утилизирован-
ной энергией промышленных выбросов, а также солнечной, ветровой, гидро- или
геотермальной энергией.
Утилизация энергии промышленных выбросов может быть реализована пу-
тем конструктивной или технологической блокировки метантенка с энерговыде-
ляющими или энергоотводящими системами промышленных предприятий. До-
полнительное снабжение метантенка уходящей тетлотой от смежного или сбло-
кированного с ним промышленного объекта сможет осуществляться следующи-
ми способами (рис. 2.18):
обогрев специально отведенными горячими газами из системы дымоудале-
ния котельных или применение дополнительного контура воздушного охлажде-
ния тепловыделяющих агрегатов с подачей газов в специально запроектирован-
ный для этого нагревательный кожух метантенка или в трубчатый теплообмен-
ник, введенный в его объем;
то же, путем снабжения метантенка нагретым воздухом, подаваемым из си-
стемы вытяжной вентиляции промышленного объекта;
обогрев метантенка избыточной теплотой промышленного агрегата, цеха,
предприятия посредством жидкостного теплоносителя через трубчатый тепло-
обменник в конструкциях или объеме метантенка, сообщенный с образованием
замкнутого контура с теплообменником источника избыточной теплоты промыш-
ленного предприятия или сообщенный напроток с системой сбросового удаления
теплосодержащих промышленных вод;
размещение блока метантенков в проточном бассейне системы теплых
вод ТЭЦ;
выполнение метантенка в виде коаксиального резервуара с образованием
85
в нем отделенного от технологического объема проточного канала для пропуска
нагретых газов или воды из системы тепловых выбросов промышленного пред-
приятия или геотермального источника с достаточнойтемпературой теплоноси-
теля (30—60° С);
блокировка метантенка протяженного типа (горизонтальный, наклонный или
вертикальный цилиндр, система цилиндров и т. п.) с ограждающими конструк-
циями промышленного здания, подвергаемыми повышенному нагреву за счет из-
быточных технологических тепловыделений.
Аналогичные приемы применительно к объектам сельскохозяйственного
строительства или к агропромышленным комплексам заключаются в сле-
дующем:
86
Рис. 2.18. Вариантные решения утилизации энергии промышленных выбросов для обогрева
метантенков
а — уходящими газами из системы дымоудаления; б — теплотой из внешнего контура энерговыде-
ляющих агрегатов (печей, реакторов); в — теплотой сбросовых вод ТЭЦ; г— воздухом из системы
вытяжной вентиляции промышленного объекта с избыточными тепловыделениями; д — контактно
передаваемой теплотой энергетического агрегата (плавильной или стекловаренной печи, автоклава);
1 — метантенк; 2 — теплообменник
совмещение метантенка, выполняемого в виде протяженного горизонталь-
ного канала, с конструкциями нулевого цикла животноводческих зданий, напри-
мер с модифицированными каналами системы навозоудаления (рис. 2.19), кото-
рые для этого могут быть выполнены в виде вытянутого по длине канала и зани-
мающего большую часть его сечения воздушного колокола с гидравлическим
замком по одной или двум боковым граням;
совмещение метантенка с блоком культивационных сооружений агропро-
мышленного комплекса с достижением многоцелевого эффекта — оптимизации
энергетического режима метантенка за счет уходящей теплоты агропромышлен-
ного комплекса, экологически чистой утилизации отходов сельскохозяйственно-
го производства, использования полученной в метантенке продукции для снаб-
жения комплекса энергией (биогаз), высококачественным удобрением (шлам)
и технологически необходимым для повышения продуктивности выращиваемых
культур (овощей) углекислым газом, полученным при сепарации биогаза и по-
даваемым непосредственно в рабочую зону теплицы.
87
Рис. 2.19. Конструктивное совмещение биоэнергоактивных систем с производственными зданиями
и сооружениями (экспериментальные предложения)
а - животноводческое здание с системой навозоудаления, совмещенной с метантенком и газголь-
дером: б — культивационное сооружение, объединенное с системой метантенков; 1 — метантенк;
2 — газгольдер; 3 — решетка канала навозоудаления; 4 — гибкая стенка; 5 — зона подачи угле-
кислого газа; 6 — светопрозрачный экран, локализующий зону 5
Рассмотрим приемы повышения энергетической экономичности биоэнергети-
ческих комплексов за счет использования геотермальной энергии.
1. Размещение всех объектов комплекса или, по крайней мере, его реактор-
ного (метантенки) и газонакопительного (газгольдеры) блоков в стволах
и штреках отработанных шахт и превращение их, таким образом, в «вечный»
источник переработанной солнечной энергии.
2. Выполнение метантенков в районах с холодной зимой заглубленными или
обвалованными, в том числе с дополнительным накоплением в окружающем их
массиве грунта солнечной энергии и частично энергии ветра, преобразованной
в теплоту, на основе рекомендаций пп. 2.2—2.4 (рис. 2.20). Аналогично может
быть использована гидротермальная энергия грунтовых вод.
Комплексное применение в различных сочетаниях и мультипликация изло-
88
тантенка, сообщенный с солнечным коллекто-
ром; в — то же, с непосредственной подачей
солнечной энергии под метантенк
женных выше приемов конструктивного и градостроительного проектирования
строительных биоэнергокомплексов, предназначенных для выработки биогаза
и снабжения им зданий или предприятий, обеспечит снижение расхода энергии
традиционных источников и повысит экономичность самих энергоактивных объ-
ектов, утилизирующих некондиционную биомассу — отходы других произ-
водств — и решающих при этом важную экологическую задачу.
Список литературы
1. Методические указания по проектированию энергоактивных зданий. РСН 25—84. — М., 1985.
2. Селиванов Н. П. Кладовые солнечных калорий. Об основах проектирования энергоактивных
зданий. — Архитектура (прил. к Строительной газете), № 25, 16 дек. 1984 г
3. Селиванов Н. П. Здание следит за солнцем. Принцип чуткого реагирования зданий на энергети-
ческую ситуацию среды. — Архитектура (прил. к Строительной газете), № 20, 6 окт. 1985 г.
89
3. СЕЛЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ СБОРА И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ.
КОНСТРУКЦИИ И ФОРМИРОВАНИЕ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
3. 1. Физико-математическая характеристика
селективных систем сбора солнечной энергии.
Фокусирующие солнечные коллекторы
И. В. Баум
3.1.1. Теория. Теоретическое описание является одновременно и необходи-
мым условием рационального использования технического объекта, наиболее
емкой формой представления знаний о нем, эффективным инструментом проек-
тирования. Поэтому мы обсудим теоретические вопросы, связанные с принципа-
ми работы, функциональными характеристиками и возможными применениями
фокусирующих солнечных коллекторов.
Т ермодинамические аспекты проблемы использования солнечной энергии.
Интуитивное представление о возможности использования солнечной энергии
ассоциируется с непосредственным тепловым ощущением, вызываемым прямой
солнечной радиацией, с восприятием Солнца как источника теплоты. В солнеч-
ный день температура отдельных предметов, как известно, может значительно
превышать температуру окружающего воздуха. Эти предметы можно рассмат-
ривать как аналог лучевоспринимающей поверхности солнечного коллектора.
Чтобы рационально использовать эффект перегрева отдельных предметов отно-
сительно окружающей среды, необходимо ответить на три вопроса: как это явле-
ние возникает, от каких факторов оно зависит, какими конструктивными реше-
ниями можно увеличить полезный выход.
Так как речь идет о перепаде относительно температуры окружающей среды,
то целесообразно, прежде всего, выяснить, чем определяется эта температура.
Для этого рассмотрим баланс энергии в системе Солнце — Земля.
Как излучатель Солнце можно считать абсолютно черным телом сферической
формы, радиусом /?s=6,95- 105 км, с поверхностной температурой 7's=5762 К и
спектральным максимумом в районе А«=0,50 мкм.
Плотность излучения вблизи солнечной поверхности, согласно закону Сте-
фана-Больцмана, составляет
Js = a/ =6,25- 107 Вт/м2, (3.1)
где 0=5,67- 10 8 Вт/(м2- К4) — постоянная Стефана— Больцмана
90
Радиус орбиты Земли Ro = 1,5 • 108 км в среднем в 216 раз больше радиуса
Солнца. Плотность потока солнечного излучения на орбите Земли обратно про-
порциональна квадрату этой величины и составляет
4 =4 я* Ir2o = 1353 Вт/м2- (3-2)
Полный поток солнечного излучения составляет гигантскую величину Ф5=
=3,8- 1026 Вт. Большая часть этого потока уходит в мировое космическое про-
странство и лишь одна двухмиллиардная часть, Фо=1,7- 1017 Вт, приходит на
Землю, представляющую для солнечного излучения круглую мишень радиусом
/?г=6,35- 103 км. Поглощение и переизлучение этой части потока и определяет
среднюю температуру земной поверхности.
Так как Земля отдает энергию в окружающее пространство только за счет
собственного теплового излучения, то средний по земной поверхности баланс
энергии можно представить в виде:
nRlAEJo =4vRereoTe, (3.3)
где Ае И Ct — средняя поглощательная и излучательная способность земной поверхности.
Площадь земной поверхности вместе с окружающей ее атмосферой представ-
ляет сложную неоднородную селективно поглощающую и селективно излучаю-
щую систему. Однако, если в первом приближении величины Ае и ег в среднем по
всей земной поверхности принять равными между собой и исключить из уравне-
ния баланса (3.3), то для средней равновесной температуры земной поверхности
Те получится вполне реалистическая оценка
T£=A/0/4a^ = 278K. (3.4)
Локальные температуры на отдельных участках земной поверхности могут
отличаться от этого среднего глобального уровня на несколько десятков гра-
дусов.
Неселективная лучевоспринимающая поверхность (Лс = Ес), ориентирован-
ная перпендикулярно солнечным лучам и теплоизолированная с тыльной сторо-
ны, могла бы вне атмосферы на орбите Земли быть нагрета до температуры
^nwr^A3^ (3-5)
а при ориентации, исключающей попадание на нее солнечных лучей, охладиться
до температуры фонового теплового излучения открытого космического прост-
ранства.
Такие резкие колебания поверхностной температуры характерны для небес-
ных тел, лишенных атмосферы. Земная атмосфера обладает относительно не-
высокой теплоемкостью, поэтому сглаживание локальных суточных колебаний
температуры в большей мере связано с тепловой инерцией наземных предметов
и поверхностных слоев почвы и воды. Однако непрерывное перемещение боль-
ших масс воздуха играет решающую роль в выравнивании глобальных перепа-
дов температур между полярными и экваториальными областями земной по-
верхности. Следовательно, для использования солнечной энергии необходимо
уйти от того термодинамически равновесного состояния, которое реализуется
в среднем в земных условиях под влиянием солнечного излучения.
Круг идей, методов и технических решений, направленных на создание спе-
циальных неравновесных условий для использования солнечной энергии, чрез-
вычайно широк и разнообразен. Здесь уже сложились и обособились отдельные
направления исследований и технических разработок. Однако в методическом
плане полезно наряду с идеей неравновесности указать еще одну общую идею,
которую можно было бы условно назвать идеей селективности. Мы останови-
91
лись на этом не совсем обычном употреблении термина селективности ввиду
того, что работа фокусирующего коллектора действительно основана на свое-
образном селективном эффекте, суть которого будет пояснена ниже.
Селективные свойства солнечных коллекторов. Из предыдущего изложения
можно вывести негативную формулировку принципа работы солнечных коллек-
торов: для получения температур, отличающихся от средней температуры окру-
жающей среды, необходимо, чтобы условия баланса энергии на лучевосприни-
мающей поверхности коллектора отличались от средних условий баланса энер-
гии земной поверхности в целом. Позитивная формулировка этого принципа,
предполагающая достижение температур выше температуры окружающей сре-
ды То, требует ослабления температурной зависимости расходной части баланса
так, чтобы равенство между потерями и поступлением энергии достигалось
на более высоком температурном уровне Т*>Т0. В этом случае на некотором
промежуточном температурном уровне Тн, удовлетворяющем неравенству
То<.Тк<_Т*, потери будут меньше поступления и условия равновесия будут до-
пускать отвод части энергии для дальнейшего ее использования.
Поясняя идею селективности, остановимся вначале на селективности, свя-
занной с отбором моментов времени, благоприятных для работы коллектора.
Естественная периодичность работы коллектора обусловлена суточным враще-
нием Земли вокруг своей оси. Рассмотрим, как и при выводе формулы (3.5), теп-
лоизолированную с тыльной стороны лучевоспринимающую поверхность, нахо-
дящуюся вне атмосферы на орбите Земли. Предположим на этот раз, что лучи
падают на нее не перпендикулярно, а под некоторым углом г. Баланс энергии для
единицы площади этой поверхности будет иметь вид
4
ХЛСШ=£с°Гс (3.6)
Пусть сама поверхность неселективна с оптико-физической точки зрения
(Ас=Ъс). Предположим, что угловой аргумент г за 24 ч проходит полный период,
равный 2л. Исключим из рассмотрения отрицательные значения косинуса, счи-
тая, что при cos г < О левая часть балансового уравнения (3.6) обращается в
ноль. В этом случае среднее значение косинуса по полному периоду составит
<cos/>2„ = 1 /л. Требуя выполнения балансового уравнения лишь в среднем
по всему периоду при некоторой средней температуре поверхности Т^п, мы полу-
чим для нее значение
ГС,27Г=<-/О/7ГС7//4 = 295 К- (3-7)
Это среднее значение, равное 22°С, близко к среднегодовой температуре
экваториальных областей земного шара. Если провести усреднение только по по-
ловине периода, когда cost > 0, и считать, что на протяжении другого полупе-
риода как левая, так и правая части уравнения (3.6) обращаются в нуль (нет ни
прихода, ни потерь энергии), то средняя температура возрастает до значения
Гс,тг =(2/о/7ГСТ)У4 = 351К. (ЗБ)
что составляет 78° С.
Очевидно, что Земля является малоэффективным приемником. В каждый мо-
мент половина земной поверхности вообще не освещается Солнцем. Освещаемая
часть поверхности выпуклая и ее площадь в 2 раза превышает площадь ее про-
екции на плоскость, перпендикулярную лучистому потоку. Так что собственная
поверхность Земли в 4 раза превышает эффективную площадь ее приемной по-
верхности. Именно поэтому плоские теплоизолированные с тыльной стороны
приемники, работающие лишь в «дневное» время, когда их поверхность освеща-
ется Солнцем, могут нагреваться до температуры, превышающей температур-
ный уровень окружающей среды.
Мы пока не касались вопросов ослабления прямой солнечной радиации в
92
земной атмосфере и конвективного теплообмена, играющего существенную роль
в наземных установках. Тем не менее, мы качественно объяснили возможность
нагрева тел при плотностях солнечной радиации на уровне земной орбиты, до
температур, превышающих среднюю температуру земной поверхности. Основ-
ной предпосылкой для такой возможности является направленный характер по-
тока солнечного излучения, достигающего Земли. Именно это обстоятельство
позволяет телам с малой тепловой инерцией и поверхностью, обращенной к сол-
нечным лучам, нагреваться днем сильнее, чем окружающий воздух.
Теперь подойдем к проблеме с другой стороны. Зададимся вопросом о пре-
дельной температуре, которую можно получить с помощью солнечного излуче-
ния. С термодинамической точки зрения при теплопередаче излучением темпера-
туру приемника можно довести до уровня температуры источника, т. е. в нашем
случае до температуры 7's=5762 К. Однако все вычисленные нами значения Те,
Тстах Тс2п, Тс.л примерно равны 300 К, что в 15—20 раз ниже исходного темпера-
турного уровня источника. Это объясняется тем, что рассмотренные нами ситуа-
ции помимо теплообмена двух тел — Солнца и приемника — неявно учитывают
теплообмен с третьим «телом» — космическим пространством, играющим роль
стока теплоты.
Если бы мы поместили плоский теплоизолированный с тыльной стороны при-
емник непосредственно вблизи солнечной поверхности, то излучение приходило
бы на приемник из полупространства, из полусферического телесного угла
AQs=2n, а собственное тепловое излучение приемника уходило бы в этот же те-
лесный угол. Здесь теплообмен приемника с другими телами кроме Солнца был
бы исключен, и условия баланса в соответствии с уравнением (3.1) были бы
обеспечены при температуре приемника, равной температуре солнечной поверх-
ности TC=TS.
По мере удаления приемника от Солнца телесный угол видения Солнца
<С 2л постепенно уменьшается, а телесный угол, в который уходит собствен-
ное тепловое излучение приемника, остается полусферическим. Угловой радиус
солнечного диска ыт и телесный угол связаны с расстоянием от центра Солн-
ца до приемника Rr следующими соотношениями:
sin w = RJRB, AQ = 2тг (1 — cos wj (3.9)
На больших расстояниях от Солнца (при Rr » Rs) большая часть потока
собственного теплового излучения приемника излучается в те области полусфе-
рического телесного угла, из которых на приемник не приходит солнечное излу-
чение. В схеме баланса радиационных потоков образуется ничем не компенси-
руемый сток энергии и равновесная температура приемника уменьшается про-
порционально (Sin (0m) ‘/2,
4
Лс sin =ЕсоГ. (3.10)
На орбите Земли при Rr=R0, Лс=ес, /==0, это равенство с учетом формул (3.9)
соответствует соотношениям (3.1), (3.2), (3.5).
Формула (3.10) является наиболее общим соотношением, определяющим
предельный достижимый уровень равновесной температуры приемника Тс. Она
указывает единственный путь повышения температуры, связанный с наруше-
нием равенства Ac=nt в сторону увеличения отношения
Лс/ес>1. (3.11)
В литературе вопросы селективности поглощательной и излучательной спо-
собности, за счет которой можно добиться выполнения неравенства (3.11) и по-
вышения температуры приемника, а также вопросы концентрации излучения
с помощью зеркальных или линзовых оптических систем, применяемых в целях
повышения температуры приемника, рассматриваются обычно отдельно, как не-
93
зависимые. В действительности же эти вопросы на уровне приемной системы
в целом оказываются тесно связанными и могут быть рассмотрены с единых по-
зиций. Первые из них относятся к спектральной, а вторые к угловой селективно-
сти приемных устройств. Спектральная и угловая селективности системы одно-
значно определяются направленной спектральной степенью черноты Е(К, й).
Согласно закону Кирхгофа, направленная спектральная излучательная спо-
собность и направленная спектральная поглощательная способность любой си-
стемы равны между собой и равны Е (X, £2). Благодаря этому уравнение баланса
для единицы площади входа любой (в том числе и фокусирующей) системы
можно представить в следующем виде:
/ dX / d2 Q cos &E (X, Q) Bj X(X, Q) =
° oo 27Г ’ (3.12)
= f dXf d2 Qcos©^ (X, H) BQX (X, T),
о 2тг
где B,> (> Q) — угловое распределение спектральной плотности яркости падающего излучения
бо.х(ХЛ) — изотропная спектральная плотность яркости излучения абсолютно черного тела при
температуре Тс (планковская спектральная интенсивность излучения).
Угловое распределение спектральной плотности яркости падающего излуче-
ния В,к(Х, й) в пределах телесного угла видения солнечного диска AQS равно
спектральной плотности яркости абсолютно черного тела при температуре Ts,
а вне этого угла равно нулю
г#0 X Ю ПРИ П е д Ч
' чжщмч (313)
Если приемник не обладает ни угловой, ни спектральной селективностью
и Е=const, то Е можно вынести за знак интеграла в уравнении (3.12). Интегри-
рование по длинам волн левой и правой частей уравнения (3.12) даст интеграль-
ную яркость излучения абсолютно черного тела при температурах Ts, Тс,
Bo(Ts) = 7dXBoK(.KTs)=uT^ln '
о J
(3.14)
Интегрирование в угловом интервале в левой части уравнения (3.12) следует
проводить лишь в пределах телесного угла AQS, а в правой части — по всему по-
лусферическому углу 2л, так что
/ d2 Q cos 0 = тг sin2 w cos i, f d2Qcos0=7r, (3.15)
2?r
где / — угол между нормалью и плоскостью входного отверстия приемника и направлением на центр
солнечного диска.
Подставляя уравнения (3.14), (3.15) в (3.12) при г=0, приходим к балансовому
уравнению (3.10), в котором A=ec=E=const.
Если приемник не обладает угловой селективностью, но спектрально селек-
тивен и Е=Е(К), то соотношения (3.15) сохраняют силу и балансовое уравнение
(3.12) приобретает следующий вид:
©о ©о
J d\E (X) тг Z? х (X, Ts) sin2 w^cos i = / dX£’(X)?rB0 X(X, TJ (3.16)
0 o’
94
Случай чисто спектральной селективности подробно рассмотрен в ряде моно-
графий, в частности в [ 1 ]. Поэтому не останавливаясь на подробностях, отметим
только саму идею использования спектральной селективности с тем, чтобы про-
вести аналогию с селективностью угловой.
Функции Планка лВо. -t„ стоящие под знаками интеграла в формуле (3.16),
имеют, согласно закону смещения Вина, достаточно ярко выраженные максиму-
мы при длинах волн XS=C/7'S, Zc=C/7’c (где С=2,9- 103 мкм- К). Наша за-
дача состоит в том, чтобы повысить температуру Тс. Однако ее практически мож-
но считать малой в сравнении с Ts. Поэтому спектральные максимумы функций
ВоЛ(Х, Ts) и В0,к(К Тс) достаточно далеки друг от друга, как это показано на
рис. 3.1, и энергетически значимые области для этих двух распределений
относятся к разным участкам спектра.
Сточки зрения максимального поглощения солнечного излучения предпочти-
тельны высокие значения Е(Х). В противоположность этому, для снижения
уровня потерь Е(к) желательно уменьшить. Однако ввиду сосредоточенности
спектральных распределений в окрестности своих максимумов для эффектив-
ного поглощения солнечного излучения нет необходимости иметь высокие значе-
ния Е(Х) по всему спектру, достаточно, чтобы Е(Х) были высоки в окрестности
Xs. Для снижения потерь также не требуется одинаково низких значений Е(Х) во
всем диапазоне длин волн, достаточно,чтобы Е(Х) были малы в окрестности Хс.
Удаленность максимумов Xs. Хс друг от друга позволяет с помощью одной
и той же спектрально селективной характеристики Е(Х) выполнить оба условия.
Аналогичным образом можно использовать угловую селективность приемной
системы. Действительно, для того, чтобы эффективно принять (поглотить) поток
первичной солнечной радиации, нет необходимости иметь систему с высокой
степенью черноты для всех направлений в пределах полусферы. Достаточно,
чтобы приемник был черный для излучения, приходящего по направлениям в
пределах телесного угла AQS. Если во всех остальных направлениях степень чер-
ноты окажется нулевой, то это не уменьшит доли поглощаемого потока, но ис-
ключит лучистый теплообмен приемника с каким-либо другим телом кроме Солн-
ца, что позволит довести равновесную температуру коллектора Тс до уровня Ts.
Подобная почти идеальная ситуация реализуется в солнечных печах. Зерка-
ло в форме параболоида вращения, ось которого направлена на центр солнечно-
го диска, фокусирует первичный поток солнечного излучения на малом прием-
нике, радиус которого составляет ‘/216 часть фокусного расстояния парабо-
лоида.
С точки зрения приемника зеркало представляет собой вторичный источник,
заполняющий все полупространство над лучевоспринимающей поверхностью
приемника. От этого вторичного источника на приемник из полусферического
телесного угла приходит излучение с яркостной температурой Ts, и ситуация ста-
новится аналогичной рассмотренному выше случаю, когда приемник располо-
жен непосредственно вблизи солнечной поверхности.
Параболоидная солнечная печь является своеобразным предельным вариан-
том фокусирующего солнечного коллектора. Фокусирующий коллектор состоит
из двух основных элементов: оптической системы (зеркальной или линзовой)
и собственно приемника. В отличие от обычного плоского коллектора, у которого
площадь приемной поверхности совпадает с площадью всего коллектора, при-
емник фокусирующего коллектора по площади во много раз меньше входного
отверстия системы.
Оптическая система солнечной печи с точки зрения приемника заменяет
реальное Солнце его изображением. При этом яркость изображения не меняет-
ся, но занимаемый им телесный угол увеличивается по сравнению с первоначаль-
ным Afis во много раз. Так что сама приемная поверхность не должна обладать
угловой селективностью.
Если же рассмотреть не один только приемник, а систему в целом, то она бу-
95
дет обладать угловой селективностью. Действительно, на приемник могут по-
пасть только лучи, приходящие из телесного угла Дй5. Любой другой луч прой-
дет мимо приемника и не поглотится системой. Для зеркальной системы спра-
ведливо правило обратимости лучей, поэтому собственное излучение приемника
после отражения от зеркала также сосредоточится в пределах телесного угла
AQS в направлении солнечного диска.
Таким образом, входное отверстие системы будет эквивалентно поверхности,
обладающей угловой селективностью. Направленная интегральная степень чер-
ноты будет близка к единице в области AQS и будет обращаться в нуль вне преде-
лов этого телесного угла. Граница между нулевым и единичным значением на-
правленной степени черноты для параболоида несколько размыта, но это не ме-
няет сути дела.
Разобранный пример в самом общем виде характеризует основное функцио-
нальное свойство фокусирующего коллектора — угловую селективность прием-
ной системы в целом.
3.1.2. Конструкции. Выше был рассмотрен принцип действия фокусирующе-
го коллектора на примере работы параболоидной солнечной печи. Очевидно, что
условием работы такой печи является непрерывное слежение за Солнцем, что
представляет определенную трудность. С эксплуатационной точки зрения более
предпочтительным является неподвижный коллектор. Ниже будет рассмотрен
один из основных типов неподвижных фокусирующих коллекторов.
Принципы конструирования фоклинов. Угловая селективность неподвижного
фокусирующего коллектора должна соответствовать не какому-то определенно-
му положению Солнца, а совокупности траекторий видимого движения Солнца
по небосводу. Подобными свойствами обладают концентраторы типа фоклинов.
Простейшим их вариантом является двугранный фоклин (Д-фоклин), образо-
ванный двумя плоскими зеркалами и имеющий форму клиновидного двугранно-
го угла. Другой разновидностью фоклина является изобретенный В. К- Барано-
вым [2] параболоцилиндрический фоклин (ПЦ-фоклин) в котором плоские зер-
кала заменены фрагментами параболоцилиндра.
К числу селективных по углу оптических систем относятся конические фоко-
ны (К-фоконы) и параболоторические фоконы (ПТ-фоконы); последние также
изобретены В. К- Барановым [3]. Большой вклад в разработку теории и практи-
ки применения фоклинов и фоконов сделан американским исследователем
Р. Винстоном [4].
В американской литературе зеркальные системы типа фоконов и фоклинов
с параболическими образующими объединяются в класс составных параболи-
ческих концентраторов (CPC-concentrators) и являются частью более широкого
класса зеркальных и линзовых концентраторов, не создающих изображения
(Nonimaging Concentrators). Этим названием подчеркивается тот факт, что
концентраторы излучения могут, не создавая изображения, выполнять свою
основную функцию— концентрировать лучистую энергию.
Для гелиотехнических приложений основной интерес представляют дву-
гранные (рис. 3.2,а) и параболоцилиндрические (рис. 3.2,6) фоклины. Каждый
фоклин представляет собой цилиндрическую поверхность. На рис. 3.2. показаны
также поперечные сечения, основные параметры Д-фоклина и ПЦ-фоклина
и угловые зависимости коэффициентов пропускания т=т (В).
Соотношения, определяющие геометрию Д-фоклинов, имеют следующий вид:
D - d = 2Н tg о; D = d/sin а (3.17)
Для Д-фоклииов и ПЦ-фоклииов введены единые обозначения: D — ширина входного отверстия,
d — ширина выходного отверстия, Н — высота фоклина.
Из рис. 3.2,а легко определить ширину зеркальной полосы Д-фоклина
l = H/cosa (3-18)
96
Д-фоклин, габариты которого удовлетворяют соотношениям (3.17), обладают
следующим свойством. Поток лучей, параллельных его плоскости симметрии,
войдя в систему через входное отверстие, после ряда отражений выходит из
фоклина через выходное отверстие. При этом средний геометрический коэффи-
циент концентрации будет равен:
K = D/d = 1/sina. (3.19)
Соотношения (3.17), (3.18) задают линейную связь между габаритными
размерами, а концентрация К однозначно определяется параметрическим
углом а. Поэтому при выбранном уровне концентрации габариты фоклина до-
пускают преобразования подобия и в зависимости от способа задания исход-
ных габаритов проектируемого коллектора любой из линейных размеров D, d, I
может быть базовым. В расчетах можно задавать либо угол а, либо концент-
рацию К.
Так, принимая базовым размером высоту фоклина И, получим следующий
набор формул:
1 = КНЦК2 - 1Д ->
d = 2H/(K—\) (К2 -1Д
D = 2КН/(К -\)(К2 - 1)й
(3.20)
В фокусирующих коллекторах на основе фоклинов нецелесообразно приме-
нять сплошные конструкции приемников типа лист-труба (как это делается
в плоских коллекторах). Металлические ребра между каналами с теплоноси-
телем в фокусирующих коллекторах оказались бы затененными зеркальными
элементами и служили бы не источником, а стоком теплоты.
Если приемником является готовая трубчатая конструкция с фиксирован-
ным шагом между трубами, то базовым размером при габаритном расчете надо
принять ширину входного отверстия D и выразить через нее все остальные
параметры,
d = D/K,
H = DK(K + 1)^12(К-1)1/г-, (3.21)
I^DK2I2(K- 1).
Если поток лучей, падающих на входное отверстие, не параллелен, плоскости
симметрии Д-фоклина, то часть лучей не пройдет через систему, а выйдет из нее
после многократного отражения обратно через входное отверстие. С геометри-
ческой точки зрения этот эффект характеризуется одним параметром — геомет-
рическим коэффициентом пропускания системы т и зависит от одного аргумен-
та — угла £ между проекцией луча на плоскость чертежа (рис. 3.2,а) и осью сим-
метрии сечения фоклина у: , . .
г sin а + sin /д __
* ® =2~s4naFo“sl ’ (3 22)
При £^2 пропускательная способность системы обращается в нуль.
Если зеркало считать идеальным отражателем, а приемник, расположенный
в выходном отверстии, абсолютно черным телом, то направленная степень чер-
ноты фоклина в целом будет равна геометрическому коэффициенту пропускания.
Это утверждение справедливо для фокусирующего коллектора любого типа.
Воспользуемся этим замечанием и вычислим интегралы в балансовом урав-
нении (3.12) для случая Д-фоклина, полагая Е(МТ)=т(£) и считая телесный
угол AQS в земных условиях малой величиной,
и sin2 сотт (£х cosz) = и Та, (3.23)
где gs — угол падения лучей в плоскости поперечного сечения фоклина; i — угол падения лучей
на плоскость входного отверстия системы.
97
Таким образом, интегральная полусферическая излучательная способность
двугранного фоклина, отнесенная к площади его входного отверстия, равна его
параметрическому углу £с = а, выраженному в радианной мере. Эта величина
при больших углах а не превышает единицы, так как вычисление справедливо
для углов а=л/4.
Пропускательная способность Д-фоклина в зависимости от угла £ изобра-
жена на рис. 3.2,а. Как видно, Д-фоклин, обладая преимуществом с точки зрения
простоты конструкции, имеет и недостатки. Его работа при углах сопровож-
дается заметными потерями первичного потока излучения, тем большими, чем
больше угол
Для устранения этого недостатка приходится применять более сложную
зеркальную конструкцию — ПЦ-фоклин. Его угловая характеристика коэффи-
циента пропускания изображена на рис. 3.2,6
Г 1 при Ц1 < а,
т ® “ Y 0 при I £1 > а
ПЦ-фоклин обладает идеальной угловой селективностью. Он полностью про-
пускает излучение с направлениями в пределах телесного угла, похожего на
дольку апельсина, вырезанную из полусферы двугранным углом 2а. По другим
направлениям излучение через ПЦ-фоклин не проходит.
Если угол падения солнечных лучей H,s плоскости поперечного сечения ПЦ-
фоклина меньше параметрического угла а, то уравнение баланса (3.12) прини-
мает следующий вид:
4 4
и Т sin w cos i = иТ sin а. (3.24)
Таким образом, интегральная полусферическая излучательная способность
параболоцилиндрического фоклина, отнесенная к площади его входного отвер-
стия, равна синусу его параметрического угла gc = sina.
Соотношения между габаритными размерами ПЦ-фоклина имеют следую-
щий вид:
D + d = 2Н tg а,
D = d/sin а.
(3.25)
Геометрический коэффициент концентрации К ПЦ-фоклина определяется
такой же формулой (3.19), как и для Д-фоклина.
Угловые селективные свойства ПЦ-фоклина (как и Д-фоклина) инвариант-
ны относительно преобразования подобия так, что габариты ПЦ-фоклина
определяются одним из характерных линейных размеров его поперечного сече-
ния и выбранной степенью концентрации. Принимая базовым размером высоту
фоклина Н, получим следующие выражения для габаритов входного и выходно-
го отверстий
D = 2КНЦК +1)(К2-1 Д
d = 2H/(K+\)(K2 - 1)й
(3.26)
Образующие ПЦ-фоклинов представляют собой отрезки парабол, оси сим-
метрии которых развернуты на углы ±а относительно оси симметрии поперечно-
го сечения фоклина, а фокусные расстояния равны между собой и связаны с вы-
сотой фоклина следующим соотношением:
$=Н/К(К2 - 1)4 (3.27)
Для построения образующих ПЦ-фоклина можно использовать следующий
прием (рис. 3.3). По заданным значениям Н и /( вычисляют габариты входного
и выходного отверстий (3.26) и фокусное расстояние параболы (3.27). На рас-
стоянии Н друг от друга проводятся две параллельные прямые «ш» и «out», соот-
98
ветствующие сечениям плоскости входного и выходного отверстий. На прямой
«он/» отмечается точка «О», через нее перпендикулярно прямым «ж», «out» про-
водится ось симметрии сечения фоклина У. Точки А', А на прямой «out», отстоя-
щие от оси у на расстояние d/2, указывают габариты выходного отверстия.
Точки В', В на прямой «ш», отстоящие от оси у на расстояние D/2, указывают
габариты входного отверстия. Далее, строится вспомогательная декартова сис-
тема координат с осями Х'У'. Для этого через точку А проводится прямая,
параллельная направлению АВ. Эта прямая и есть ось У', она составляет
с осью У угол а. Точка А должна являться точкой фокуса параболической обра-
зующей «правого» зеркала фоклина АВ. Поэтому начало «О'» вспомогательной
декартовой системы координат отстоит от точки А' на расстояние f. Ось X' про-
ходит через точку «О'» перпендикулярно оси У'. В координатах X', У строится
парабола
У =x'2/4f (3.28)
которая должна соединить точки АВ. Отрезок параболы между точками АВ и яв-
ляется искомой образующей «правого» зеркала.
Образующая «левого» зеркала А'В' симметрична отрезку параболы АВ отно-
сительно У. Для контроля формы поверхности зеркал при сборке панели коллек-
тора надо помнить, что касательная к отражающей поверхности в точке В пер-
пендикулярна плоскости коллектора, а касательная в точке А составляет с плос-
костью коллектора угол (л/4-|-а/2).
Интересно сравнить два рассмотренных выше типа фоклинов. При одинако-
вых параметрических углах а фоклины одинаково концентрируют излучение,
падающее перпендикулярно плоскости коллектора. Обе системы имеют пример-
но одинаковую излучательную способность входного отверстия, равную соответ-
ственно а и sina. Полоса пропускания излучения (по углу В) У Д-фоклина в 2 ра-
за шире, чем у ПЦ-фоклина. Однако в пределах Щ <а Д-фоклин пропускает
в среднем лишь 3/4 потока излучения. Кроме того, для Д-фоклина характерны
многократные отражения лучей, а для ПЦ-фоклина однократные, поэтому
реальное пропускание Д-фоклинов может резко уменьшиться при использова-
нии зеркал с коэффициентом отражения р < 0,9.
При одинаковых концентрациях К и высотах Н Д-фоклины имеют несколько
более широкие входные (и соответственно выходные) отверстия, чем ПЦ-фок-
лины
Пд/Ппц=^+1Ж- 1/ (3.29)
Так что, при равных входных отверстиях Дд=Дпц, Д-фоклины имеют не-
сколько меньшую высоту
яд/япц = ^-да + 1Л (330)
Сами по себе эти различия не могут свидетельствовать в пользу Д-фоклинов,
так как геометрия фоклинов допускает преобразования подобия. Гораздо боль-
шие трудности при изготовлении ПЦ-фоклинов может вызвать неплоская фор-
ма их отражающей поверхности. Однако различия габаритов следует иметь
в виду при оценке суммарной площади зеркальной поверхности, приходящейся
на единицу площади в плоскости коллектора. При /(=5 ПЦ-фоклины требуют
в полтора, а при К=3 вдвое большей площади зеркал, чем Д-фоклины. Это об-
стоятельство стимулировало разработку специальных «усеченных» конструкций
ПЦ-фоклинов, в которых исключена «верхняя» часть поверхности, не играющая
существенной роли в повышении концентрации.
Выбор рационального коэффициента усечения требует специальных расче-
тов. Но приблизительно можно обойтись и чисто графическим решением задачи,
99
Рис. 3.1. Спектральные распределения сол-
нечной радиации на орбите Земли (Т.=
= 5762 К Х5=0,5 мкм) и излучения черного те-
ла при «земных» температурах солнечного кол-
лектора (Гс = 415 К, К = 1 мкм)
Рис. 3.2. Коллекторы с двугранными (а) и
параболоцилиндрическими (б) фоклинами
I — прозрачное покрытие; 2 — отражающая
поверхность; 3 — каналы с теплоносителем;
4 — тепловая изоляция
Рис. 3.3. Построение образующих ПЦ-фок-
лина (а) и соотношение габаритов усеченного
ПЦ-фоклина (б)
Рис. 3.4 Схема тепловых сопротивлений пло-
ского коллектора
100
построив предварительно образующие ПЦ-фоклинов по заданному исходному
коэффициенту концентрации К и выбрав базовым размером, например, D. Затем
по чертежу определяют высоту Н' (отсчитанную от выходного отверстия), на ко-
торой ширина полости фоклина составляет заданную долю от первоначального
габарита входного отверстия D (см. рис. 3.3). Эту ширину принимают за новый
габарит входного отверстия ОПц, отбросив часть зеркальной поверхности выше
уровня Н'. Новый коэффициент концентрации будет иметь значение K'=D'/d.
Результаты расчетов оказы-
ваются примерно одинаковыми для
всех усеченных ПЦ-фоклинов с ис-
ходными концентрациями К^З. Эти
результаты приведены в табл. 3.1.
В первой строке табл. 3.1 указана
степень усечения ПЦ-фоклина, т. е.
отношение Н'/Н. Во второй строке
указано относительное уменьшение входного отверстия ПЦ-фоклина/Упц/^пц,
которое равно относительному снижению концентрации фоклинов, т. е. вели-
чине К' /К.
Таблица 3.1. Габаритные размеры
усеченных ПЦ-фоклииов
IV/н 1,00 0,75 0,63 0,50 0,40 0,33
D'/D 1,00 0,98 0,95 0,90 0,85 0,80
Характеристики различных типов коллекторов. Основным параметром, опре-
деляющим эксплуатационные характеристики коллектора, является коэффи-
циент потерь Ul. Фокусирующие системы, как мы видели выше, позволяют
уменьшить потери, связанные с собственным тепловым излучением лучевоспри-
нимающей поверхности. Для наземных солнечных установок необходимо учиты-
вать конвективные потери, которые также снижаются в коллекторах с фокуси-
рующими элементами.
Суть параметра Ul подробно рассматривается в монографии [5]. Это легко
пояснить на примере обычного плоского солнечного коллектора, схема тепловых
сопротивлений которого изображена на рис. 3.4. Солнечные лучи, проникая че-
рез прозрачную изоляцию /, падают на рабочую поверхность2 (рис. 3.4,а). Теп-
ловая мощность q, выделяющаяся на единице площади рабочей поверхности,
частично отводится теплоносителем, протекающим по каналам 3 (обозначим эту
часть через qn), а частично через элементы конструкции коллектора уходит в ви-
де тепловых потерь в окружающую среду. При прочных равных условиях плот-
ность потока потерь в расчете на единицу площади рабочей поверхности оказы-
вается пропорциональной разности температур рабочей поверхности Т и окру-
жающей среды То. Коэффициент пропорциональности этой линейной зависимо-
сти и называется коэффициентом потерь Ul.
Поток тепловых потерь, проходя через изоляцию тыльной стороны коллекто-
ра 4 и распространяясь в зазоре между 1 и 2, преодолевает различные тепловые
сопротивления (рис. 3.4,6), определяемые параметрами изоляции о, X и коэффи-
циентом внутренней («в») и наружной («н») конвективной («к») и лучистой
(«л») теплоотдачи а. Последовательно упрощая схему тепловых сопротивлений
(рис 3.4, в), можно вывести соотношение
и1=^\+аЛХ +
(3.31)
ав=ак,в+ап,в’аи=ак,н+ал,н’
определяющее итоговое удельное тепловое сопротивление \/Ul.
Проведенное рассмотрение приводит нас к уравнению теплового баланса для
единицы площади рабочей поверхности коллектора:
q^ + U^T-TJ.
(3.32)
101
Поверхностная плотность поглощаемого потока радиации определяется со-
отношением
q=AcTncosiqQ, (3.33)
где тп — пропускательная способность прозрачного покрытия; до — плотность потока прямой сол-
нечной радиации.
Для простоты исключаем из рассмотрения рассеянную радиацию. В плоских
коллекторах ее доля в тепловом балансе для ясных дней составляет не более
10—15% прямой радиации. В фокусирующих коллекторах плотность прямой со-
ставляющей, сконцентрированной на рабочей поверхности, резко возрастает,
а плотность рассеянной может лишь уменьшиться.
Определим к.п.д. коллектора как отношение полезной теплоты, переданной
теплоносителю от всей рабочей поверхности ко всему потоку прямой радиа-
ции, падающему на плоскость коллектора с площадью S. Для плоского коллек-
тора площадь коллектора и площадь его рабочей поверхности можно считать
равными
(3.34)
Предположим вначале, что температура всех участков рабочей поверхности оди-
накова и равна температуре теплоносителя. Тогда к.п.д. можно представить
в следующем виде:
Мп -М и(т-т^
п = ---— = -------- [1-—-------]. (3.35)
Sqocosi Sq cosi q
Рассмотрим случай работы коллектора без отбора полезной теплоты, когда
к.п.д. равен нулю и весь поглощаемый рабочей поверхностью поток рассеивается
в окружающую среду. В этом случае коллектор будет иметь максимальную рав-
новесную температуру Г*, которую легко определить из уравнений (3.32) или
(3.35).
T*=T*q/UL (3.36)
Величину Т* можно интерпретировать и по другому, представив с ее по-
мощью равенство (3.32) в виде,
qn = uL(T* -Т). (3.37)
Эта запись по форме напоминает выражение для плотности потока теплоты,
передаваемой с коэффициентом теплопередачи Ul через теплообменную поверх-
ность от среды или источника с температурой Т* к среде с температурой Т. По
этой аналогии можно ввести понятие эквивалентного источника, а коллектор
рассматривать как своеобразный рекуперативный теплообменный аппарат
с площадью теплообменной поверхности, равной
Теперь легко перейти к случаю неоднородных распределений температуры по
рабочей поверхности, возникающих при постепенном прогреве теплоносителя
по мере движения его вдоль поверхности теплообмена. Выражения (3.32) —
(3.37) остаются и в этом случае справедливыми, но приобретают смысл локаль-
ных соотношений. Причем температура источника не меняется вдоль поверхно-
сти теплообмена, что можно интерпретировать как случай бесконечного расхо-
да теплоносителя в первом контуре теплообменника.
Известно, что температурный напор (Г* — Т) вдоль поверхности теплообме-
на в такой ситуации экспоненциально уменьшается в направлении движения
теплоносителя во втором контуре, т.е. в нашем случае в направлении движения
реального теплоносителя, протекающего через солнечный коллектор. Так что
связь между входной и выходной температурами теплоносителя будет иметь вид
102
(T - Твых> = (Т - Твх>ех?
В D1 Л ВЛ fy
q StUI
Гвых = Гвх + <4" + Го ~Твх} 11 - ехр (--^—) ] -
ВЫЛ ВЛ \J ВЛ Ц/
(3.38)
(3.39)
Запишем выражение для к.п.д. коллектора в целом при условии равенства
температуры окружающей среды и температуры теплоносителя на входе в кол-
лектор
И7Т , -т ) q и/ su,
=Т ~с • сг/ Ч — ехр ( )].
вх 'о SqQcosi qQcosi SUL W
(3.40)
В формулах (3.38) — (3.40) величина W означает водяной эквивалент или сум-
марную теплоемкость Spm массового расхода пг теплоносителя.
Полученнные простые соотношения позволяют без дополнительных выкладок
перейти к случаю фокусирующих коллекторов. Для этого достаточно ввести
соответствующие изменения в выражения для площади рабочей поверхности
и плотности поглощаемого ею потока солнечной радиации,
ST = S/K, (3.41)
q = КАс рттп cos iq(). (3.42)
Эти выражения почти очевидны. Величина /( в них — коэффициент геометри-
ческой концентрации, согласующийся с помощью формулы (3.41) с соотноше-
нием между суммарной площадью входных отверстий элементов фокусирующе-
го коллектора и суммарной площадью лучевоспринимающей поверхности. По-
верхностная плотность потока q соответственно этому возрастает в /( раз, но од-
новременно и ослабляется за счет несовершенства отражателя рис учетом угло-
вой селективности системы т, влияние которой зависит от ориентации коллекто-
ра относительно потока прямой радиации.
Формулы (3.41), (3.42) описывают изменение реальных физических и геомет-
рических величин при переходе от случая плоского коллектора к фокусирую-
щему, но мы и здесь можем применить некоторую условную интерпретацию
и представить фокусирующий коллектор в виде эквивалентного плоского с изме-
ненными характеристиками. Для этого достаточно заметить, что в формулы
(3.35), (3.36) и (3.38) — (3.40) переменные q, Ui, Sr входят только в комбина-
циях q/Ui, qSr, SrUt, которые инвариантны относительно преобразования
q +q/K, UL + UL/К, ST - STK. (3.43)
Благодаря этому фокусирующий коллектор эквивалентен плоскому, обла-
дающему следующими особенностями:
к обычным характеристикам пропускания тп и поглощения Ас добавлены в
виде множителей два фактора р, т, характеризующие оптический элемент кол-
лектора,
<AcTa)'=Acf>TTn’ (3-44)
коэффициент потерь Ui в пересчете на площадь входного отверстия системы
уменьшен в /( раз,
U[ = UL/K; (3.45)
эквивалентная площадь поверхности теплообмена равна площади самого
коллектора
S'T=S (3.46)
103
Таким образом, для расчета характеристик фокусирующего коллектора мож-
но использовать формулы (3.35), (3.36), (3.38) — (3.40), заменив в них вели-
чины Дтп, Ui, Sr на (Дт,,)', U'i, S[, согласно уравнениям (3.44) — (3.46).
Для примера рассмотрим важный частный случай. Пусть ТВ11=ТО. Обозначим
разность температур, приобретаемую теплоносителем в процессе нагрева через
Д7’=7'вых — Пх и выразим через эту разность к.п.д. коллектора. Соответствующие
выражения для плоского и фокусирующего коллектора будут иметь вид
А т X (пл) отт X ^40'
(Ф) = _______
*ТплЪ1 4 !- 1п(1 - Х<Ф>) ] ’
где введены следующие обозначения
. _ . ’ КА ртт cosz ап
^sTncosl^0 П 0
(3-47)
(3.48)
Нас интересует диапазон изменения ДГ, при котором Х(пл)<;1, Х(Ф)<ЗС1.
В этом случае, используя разложение логарифмов в знаменателе (3.47) в ряд по
степеням Х(пл), Х(ф), можно получить следующие приближенные выражения,
выполняющиеся в практически интересных случаях с достаточной точностью
и составляющие методическую основу большинства экспериментальных работ
и испытаний коллекторов и коллекторных систем.
77(пп) = л т ^(Ф) =л ртт
с п 2 cos i L "
1 vL ЬТ
2 К cos iq®
(3.49)
Формулы (3.49) с очевидностью показывают, что хотя при минимальных тре-
буемых температурных перепадах фокусирующие коллекторы могут оказаться
менее эффективными, чем плоские из-за потерь в зеркальной системе и уменьше-
ния рабочего времени, обусловленного ограниченным «видением» небосвода,
тем не менее фокусирование следует применять при необходимости нагрева теп-
лоносителя до высоких температур, которые для плоских коллекторов могут ока-
заться вовсе недостижимыми.
Подробный отчет об экспериментальных исследованиях характеристик фо-
кусирующих коллекторов приведен в работе [6]. Характерным примером явля-
ются результаты испытаний фокусирующего коллектора с ПЦ-фоклином и кон-
центрацией А=3. Этот коллектор испытывался как в лабораторных условиях,
так и в натурных. Параметрический угол фоклина составлял а= 18°. Коллектор
имел защитное прозрачное покрытие с пропускательной способностью тп = 0,90
и рабочую поверхность с поглощательной способностью Ас=0,94. Алюминие-
вое зеркало имело отражательную способность р=84. С учетом многократных
отражений расчетная величина среднеэксплуатационной отражательной способ-
ности зеркальной системы составляла р=0,80. На первой стадии эксперимента
в лабораторных условиях было определено значение эффективного коэффициен-
та потерь, составившее (//=3,0 Вт/(м2- °C).
На рис. 3.5 представлены результаты натурных испытаний этой конструкции
зимой в районе Чикаго. По оси абсцисс отложено отношение перепада темпера-
тур ДТ к плотности потока суммарной прямой и рассеянной радиации в плоско-
сти коллектора. Переменные, использованные в работе [6], приведены к нашим
обозначениям. По оси ординат отложен к.п.д. коллектора. Прямая 3 соответст-
вует условиям среднего ясного зимнего дня. Отклонения экспериментальных то-
чек, отмеченных крестиками, от этой прямой определяются в основном разли-
чием в соотношении между прямой и рассеянной радиацией в конкретные дни
эксперимента. В особо ясные дни, отмеченные квадратами, при повышенной
104
прозрачности атмосферы и малой относительной величине рассеянной радиа-
ции к.п.д. коллектора по отношению к суммарной радиации заметно повышался.
Для дней с плохой прозрачностью атмосферы, отмеченных на рисунке треуголь-
никами, наблюдалась противоположная картина. Среднеэксплуатационное зна-
чение эффективного коэффициента потерь для зимней серии экспериментов со-
ставило 6/=2,7 Вт/(м2- °C). Для сравнения на рис. 3.5 приведены характери-
стики типичных плоских коллекторов с одинарным (прямая /) и двойным (пря-
мая 2) остеклением, имеющих в 2—2,5 раза более высокие коэффициенты по-
терь. Данный пример показывает, что соотношение (3.45) не всегда точно вы-
полняется на практике. Это объясняется тем, что конструкции теплоизоляции
плоских и фокусирующих коллекторов не совсем идентичны.
Оценим с помощью данных рис. 3.5 два конкретных частных случая. Пусть
уровень плотности потока суммарной радиации в плоскости коллектора состав-
ляет 600 Вт/м2, что соответствует прямой радиации в 700 Вт/м2, падающей в 9 ч
утра по солнечному времени на коллектор под углом г=45°, и рассеянной радиа-
ции в 100 Вт/м2.
Если требуемый температурный перепад нагрева теплоносителя составляет
А7'=30°, то все три типа коллектора будут работать примерно с одинаковой эф-
фективностью и их к.п.д. будет составлять около 55%. Если же температурный
перепад утроится, увеличившись до 90°, то к.п.д. фокусирующего коллектора
снизится до 45%, тогда как к.п.д. плоского коллектора с одинарным остеклением
резко уменьшится и составит всего 20%. Плоский коллектор с двойным остекле-
нием также будет иметь низкий к.п.д. около 30%.
Приведенные численные оценки позволяют качественно разграничить обла-
сти применения плоских и фокусирующих коллекторов. Плоские коллекторы мо-
гут применяться во всех случаях, когда непосредственно потребляемой является
низкопотенциальная тепловая форма преобразования солнечной энергии. К чис-
лу таких ситуаций относится нагрев воды в летних открытых бассейнах, горячее
водоснабжение летом и т.п. Плоские коллекторы можно также применять в со-
четании с тепловыми насосами и в системах отопления, однако их непосредствен-
ное применение в подобных системах ограничено, как правило, лишь районами
с мягким климатом. Фокусирующие же коллекторы, напротив, можно использо-
вать в отопительных системах на любых географических широтах с единствен-
ным условием достаточного числа солнечных дней в холодный период года. Осо-
бый интерес фокусирующие коллекторы представляют для систем преобразова-
ния солнечной энергии, например, для автономных энергетических установок
термодинамического типа, использующих в качестве рабочего тела низкокипя-
щие жидкости.
Следует отметить, что при всей перспективности фокусирующих коллекторов
их массовое производство пока не освоено, тогда как суммарное годовое произ-
водство плоских коллекторов в отдельных странах уже исчисляется сотнями ты-
сяч квадратных метров. Альтернативным путем улучшения теплотехнических
характеристик коллекторов можно назвать вакуумные методы изоляции и при-
менение селективных поглощающих и отражающих покрытий.
Анализируя современные конструкторские разработки по солнечным коллек-
торам, можно отметить тенденцию к комплексному применению различных
средств снижения тепловых потерь, в частности, применение фокусирующих
коллекторов с вакуумной тепловой изоляцией. Наряду с этим ведутся разработ-
ки по совершенствованию самой оптической схемы фокусирующих коллекторов:
применению приемников различной геометрии и асимметричных конструкций
зеркальной поверхности, упрощению формы образующих отражателя с целью
удешевления его изготовления. При этом большое внимание уделяется изуче-
нию угловой селективности как зеркальных, так и линзовых систем и анализу их
оптико-геометрической пропускательной способности.
Параллельно с совершенствованием фокусирующих коллекторов на основе
105
различных модификаций фоклинов разрабатываются упрощенные конструкции,
представляющие собой разновидность двустороннего плоского коллектора, по-
мещенного между двумя плоскими однократно отражающими зеркальными
крыльями.
3.1.3. Оптимизация. Наряду с чисто оптическими оптимизационными зада-
чами, связанными с конструктивной реализацией основных принципов и идей
создания фокусирующих конструкций, коллекторов, практическое использова-
ние солнечных коллекторов с фокусирующими элементами выдвигает внешние
оптимизационные задачи. Оптимизация наиболее высокого уровня связана, как
правило, с экономическими характеристиками проектируемых систем. Для по-
становки столь общих задач имеющаяся информация зачастую оказывается не-
достаточной ввиду неустановившегося характера стоимостных показателей но-
вой техники. Однако существуют задачи более низкого уровня, представляю-
щие самостоятельный чисто технический интерес и связанные с системным со-
гласованием конструктивных параметров оптических элементов и режимов их
работы.
Режимы работы солнечных коллекторов. Задачи режимной оптимизации
возникают уже в плоском коллекторе, когда требуется определить оптималь-
ный угол его наклона к горизонту. Для фокусирующего коллектора с концентра-
тором типа фоклин эта задача предполагает системное согласование параметри-
ческого угла коллектора, угла наклона его плоскости к горизонту в любой период
года и частоты изменения его ориентации. Целевые функции подобных частных
оптимизационных задач зависят от назначения солнечных систем, номиналь-
ных температурных режимов их работы и существенно меняются в зависимости
от того, предназначена ли система для удовлетворения потребностей в тепловой
энергии или служит элементом преобразователя солнечной энергии, например
является первым контуром солнечной термодинамической энергоустановки.
Наметим лишь некоторые подходы к моделированию режимов работы фоку-
сирующих коллекторов. Первым элементом моделирования является выбор мо-
дели прихода солнечной радиации. Геометрическая часть этой задачи сводится
к описанию движения Солнца по небосклону. Она решается сравнительно просто
и подробно описана в различных руководствах по использованию солнечной
энергии, в частности в монографии [5]. Если координатные оси X, У, Z местной
локально-географической системы координат направить соответственно на юг,
восток и в зенит, то единичный вектор /, задающий направление на центр сол-
нечного диска, будет иметь следующие компоненты:
I %- — cos Р sin 6 sin ft cos6 cos w,
I y= —cos 6 sin w, (3.50)
lg = sin ft sin 6 + cos (3 cos 6 cos w,
где p — географическая широта местности; 6 — склонение Солнца, вычисляемое по номеру дня N,
отсчитываемому от начала года, и максимальному склонению 6т=23,45°, с помощью формулы
ы—часовой угол, связанный с солнечным временем te, отсчитываемым в часах от истинного полу-
дня, соотношением
о>=тгГс/12. (3.52)
Вектор нормали к плоскости коллектора, наклоненной в сторону юга под
углом а к горизонту, имеет в этой же системе координат следующие компоненты
пу = sin <р;пу = 0;ng = cos (3.53)
106
Косинус падения лучей на плоскости коллектора определяется скалярным
произведением (I, п) и равен
cos i = sin ((3—у>) sin 6 + cos 6 cos cos w. (3.54)
Для вычисления коэффициента пропускания фоклина важно также знать угол £
между нормалью и проекцией вектора I на плоскость поперечного сечения фок-
лина. Если продольная ось фоклина ориентирована по линии север—юг, то этот
угол определяется формулой_________________________
cos £ = cos i/x/l - cos2 6 sin2 w. (3.55)
Полученные формулы помогают решить задачу о соотношении между пара-
метрическим углом фоклина и длительностью его рабочего дня в различные сезо-
ны года. Соответствующие результаты для ПЦ-фоклина, не зависящие от гео-
графической широты, приведены в табл. 3.2.
По этой таблице разумные преде-
лы выбора параметрического угла
составляют а=6—15°. Рабочий день
фоклина даже при малых параметри-
ческих углах достаточно продолжи-
телен. Это особенно важно, если
вспомнить материалы предыдущего
раздела, где была продемонстрирова-
на ограниченность рабочего дня пло-
ского коллектора, связанная с низ-
кой эффективностью его работы при
повышенных температурных режи-
Таблица 3.2. Параметрический угол,
необходимый для обеспечения заданной
длительности рабочего дня
ПЦ-фоклина на 22 июня
At, ч 6 7 8 9 10 11
«. град 40 6.0 8.7 12,5 17.8 25.0
к 14.3 9.6 6,6 4,6 3,3 2,4
мах.
Уменьшение параметрического угла фоклина требует более частой коррекции
его ориентации. Фоклин с параметрическим углом а= 18°, рассмотренный в пре-
дыдущем разделе, требует всего двукратной коррекции в год с двумя положе-
ниями — «зимним» и «летним». Фоклины с параметрическими углами порядка
10° требуют ежемесячной коррекции, с углами в 6° — еженедельной. Однако
этот вопрос должен более детально обсуждаться при проектировании конкрет-
ных типов коллекторов с учетом характера их тепловой нагрузки.
Оптимизация среднеэксплуатационных характеристик. При моделировании
среднеэксплуатационных характеристик коллектора необходимо учитывать ста-
тистику прихода солнечной радиации в конкретном районе расположения сол-
нечной установки. Простейшей методикой может быть приближение, предло-
женное В. Г. Кастровым, обнаружившим сильную корреляционную зависимость
между уровнем прямой солнечной радиации и высотой Солнца над горизонтом
в ясные дни.
Соотношение между прямой q0, рассеянной qp и суммарной солнечной ра-
диацией определяется по В. Г. Кастрову метеорологической солнечной постоян-
ной qM= 1,25±0,04 кВт/м2 и коэффициентом поглощения х
«0 =
<^2*
X + sin/г ’
= 0,38
Х<?0
(3.56)
Величины х для каждого месяца должны быть предварительно вычислены по
средним многолетним данным метеонаблюдений.
В математическую модель следует ввести также среднестатистическую обес-
печенность отсутствия облачности. Эту величину, как и коэффициент поглоще-
ния х, следует относить к месячному интервалу вне зависимости от того, как ча-
сто меняется в процессе корректировки ориентация коллектора.
Системы утилизации солнечной энергии как с плоскими, так и с фокусирую-
щими коллекторами имеют особенность, связанную с нерегулярным характером
107
поступления солнечной радиации. Эта особенность определяется своеобразным
эффектом насыщения, который наблюдается при расчете коэффициента замеще-
ния, указывающего долю нагрузки, покрываемой с помощью солнечной установ-
ки. Основная причина данного эффекта, как правило, связана с несовпадением
графиков нагрузки и прихода солнечной радиации; она может быть устранена
полностью лишь в случае применения систем долгосрочного аккумулирования.
Эффект насыщения приводит к тому необычному для традиционных топлив-
ных систем положению, когда максимальная эффективность применения солнеч-
ного оборудования соответствует минимальным значениям коэффициента заме-
щения. Стремление создать высоконадежную чисто солнечную систему может
привести к неоправданному увеличению ее размеров и прежде всего размеров
солнечного коллектора, который значительную часть времени будет работать
в недогруженном режиме. Оптимальные размеры солнечных систем соответст-
вуют, как правило, невысоким значениям коэффициента замещения на уровне
0,4—0,7.
Не вдаваясь в подробности этой самостоятельной большой темы, отметим,
что переход к коллекторам с улучшенными тепловыми характеристиками, как
правило, снимает некоторые неопределенности в постановке задач экономиче-
ской оптимизации, так как зависимости коэффициента замещения от размеров
системы при заданной нагрузке имеют для таких коллекторов явно выраженный
излом, указывающий в первом приближении положение рабочей точки на графи-
ках коэффициента замещения.
3.2. Солнечные фотоэлектрические станции
и солнцезащитные сооружения
В. Г. Никифоров, В. Н. Потапов, С. В. Рябиков, Д. С. Стребков
Развитие фотоэлектрической энергетики основывается на следующих факто-
рах, характерных для солнечных фотоэлектрических станций (СЭС) с полупро-
водниковыми фотопреобразователями (ФП): возможность автономного получе-
ния электроэнергии практически в любом географическом районе, высокая на-
дежность, длительный ресурс работы во всех климатических зонах без заметной
деградации выходных параметров, независимость к.п.д. преобразования от ве-
личины генерируемой мощности, автономность функционирования в течение
длительного промежутка времени, экологическая чистота источника энер-
гии [7—10].
Экономически оправданным является применение СЭС для питания автоном-
ных потребителей малой мощности (до нескольких киловатт), работающих в ав-
томатическом режиме в районах, удаленных от сети централизованного энерго-
снабжения. Для энергоснабжения таких потребителей используются дизельные
электростанции и бензоэлектроагрегаты, сменные аккумуляторы и гальваниче-
ские элементы [11, 12].
Основной проблемой фотоэлектрической энергетики является снижение стои-
мости установленной мощности и электроэнергии СЭС. Стоимость электроэнер-
гии, вырабатываемой наземными СЭС из кремния, в 20—50 раз дороже, чем
у атомных электростанций; разница в стоимости может быть компенсирована
как за счет снижения стоимости полупроводниковых материалов и автоматиза-
ции производства, так и за счет использования концентраторов солнечного излу-
чения [13, 14].
Разрабывают три типа СЭС: энергоустановки мощностью 1 —10 кВт для жи-
лых зданий, местные системы средней мощности 100 кВт — 10 МВт и централь-
ные станции мощностью 50—1000 МВт [10].
Особый интерес представляют системы солнечного энергообеспечения зда-
ний. На крышу одноквартирного дома площадью 100 м2 в зависимости от време-
108
ни года в средних широтах поступает 200—700 кВт- ч солнечной энергии в сут-
ки. В наиболее холодные зимние месяцы энергозатраты на обогрев хорошо изо-
лированных домов составляют 60—200 кВт- ч/сут, а затраты электроэнергии
около 20 кВт- ч/сут. Таким образом, расположенная на крыше здания СЭС
с электрическим к.п.д. 10—15% и тепловым к.п.д. 30—50%, которая имеет систе-
му аккумулирования или дублер в виде энергосистемы на случай ненастной по-
годы, обеспечила бы все энергетические потребности «солнечного» дома [9, 10].
Для «солнечных» домов выработка тепловой энергии должна в 1,5—3 раза
превышать производство электроэнергии. Поскольку стоимость электрической
энергии в 5—6 раз дороже тепловой, целесообразно использовать комбиниро-
ванные СЭС для энергоснабжения зданий теплотой и электрической энергией.
При анализе технико-экономических показателей стоимости СЭС следует
учитывать зависимость стоимости электроэнергии от к.п.д. Если расход на под-
системы аккумулирования и инвертор на единицу площади ФП пропорционален
к.п.д., то затраты на герметизацию, монтаж и фундаменты не зависят или обрат-
но пропорциональны к.п.д. Отсюда ясна неэкономичность СЭС с низким к.п.д.
По общепринятым оценкам СЭС с к.п.д. ФП менее 10% являются экономически
неприемлемыми.
3.2.1. Выбор материала фотопреобразователей. В проектах, в которых рас-
сматривается возможность применения в наземной энергетике фотоэлектриче-
ского метода преобразования солнечной энергии, указывается, что СЭС боль-
шой мощности будут представлять собой энергетические поля из ФП, а для сни-
жения стоимости СЭС предлагается использовать вместо монокристаллического
кремния более дешевые аморфные, поликристаллические или органические по-
лупроводники.
Основная тенденция развития фотоэлектрической энергетики заключается
в замене монокристаллического кремния его поликристаллической и аморфной
модификацией. В будущем каскадные, многопереходные и пленочные ФП будут
играть доминирующую роль, а монокристаллические материалы в виде тонких
слоев будут использоваться в основном для создания каскадных ФП, в преобра-
зователях концентрированного излучения и в ряде других областей.
Важным вопросом является выбор полупроводниковых и конструкционных
материалов для СЭС. В табл. 3.3. представлены данные о содержании в земной
коре, о мировом производстве и стоимости некоторых полупроводников и метал-
лов, применяемых при изготовлении
СЭС. Чтобы обеспечить ежегодный
прирост мировых энергетических ре-
сурсов на 5%, необходимо изготавли-
вать 200 км2/г ФП с к.п.д. 10%. При-
нимая толщину материала 3 мкм,
плотность 104 кг/м3 и объем примене-
ния материала для СЭС в размере
10% общего объема выпуска, полу-
чим требуемый общий объем го-
дового производства материала
108 кг/г [15].
Из этих данных следует, что гер-
маний, кадмий и галлий не могут
быть использованы даже в пленочном
исполнении в крупномасштабной
солнечной энергетике. Существуют
экологические проблемы, связанные
с переработкой и использованием
большого количества кадмия и
мышьяка. Кремний, алюминий и же-
Таблица 3.3. Содержание в земной коре,
мировое производство и стоимость
некоторых материалов, применяемых
при изготовлении СЭС |15|
Элемен г Содержание в земной коре, % Мировое производство, кг Стоимость в 1978 г., дол/кг
Кремний 21,22 5- 10s 1,0
Алюми-
НИЙ 6,47 1,4- 10’° 1,2
Железо 1,92 2- 10" 0,07
Титан 1.84 2,5- 108 2,2
Хром 0,44 2,6- 10’ 6,5
Никель 1,10’2 9- I09 0,06
Медь 7,5- 10'3 6,8- 108 4,4
Галлий 5,5- 10'3 1- 104 550
Свинец 1,5- 10’1 6,8- 109 1,3
Германий 1,3- ю ’ 3,7- 109 0,7
Олово 2,0 •• 10’4 1,8- 106 2,2
Мышьяк 1,7- 10’4 — —
Кадмий 2- 10® 1,8- 10’ 6,0
109
лезо в качестве материала для концентраторов, опорно-поворотных конструк-
ций, солнечных элементов и контактов являются более предпочтительными. Учи-
тывая высокий к.п.д. и температурную стабильность параметров, можно ожи-
дать расширение областей применения ФП на основе гетероструктур GaAs —
GaAlAs (ГПФ) с концентраторами.
3.2.2. Солнечные электростанции с концентраторами. Одним из перспектив-
ных путей снижения стоимости электроэнергии, получаемой от СЭС, и повыше-
ния к.п.д. ФП является использование концентраторов солнечного излучения.
В этом случае СЭС будут иметь вид полей из отражателей, концентрирующих
солнечную энергию на приемниках из монокристаллических ФП.
Для создания ФП, эффективно работающих при сильном освещении, исполь-
зуют кремний и арсенид галлия. Для снижения потерь на коммутацию и повыше-
ния надежности целесообразно использовать высоковольтные фотоэлектриче-
ские преобразователи (ВФП) концентрированного излучения. ВФП можно из-
готавливать как из кремния, так и из арсенида галлия и других полупроводнико-
вых материалов.
Увеличение к.п.д. при сильном освещении в основном определяется увеличе-
нием напряжения ФП и представляется выражением [13—16]
т) = т?п(1 + —-- 1пх) (3.57)
где т]о н К, — к.п.д. и фото-э.д.с. при нормальной освещенности; А — коэффициент, учитывающий
отклонение ВАХ от идеальной; х — кратность увеличения освещенности по отношению к нормаль-
ной 1000 Вт/м2.
СЭС, работающая на энергосистему, имеет три основных блока: блок полу-
проводниковых преобразователей энергии, блок зеркальных отражателей, фо-
кусирующих солнечную энергию на энергоблоке, и блок управления и автомати-
ки. Для автономных потребителей необходима система аккумулирования
энергии.
Поскольку СЭС должна быть оптимизирована по стоимости всех входящих
в нее элементов, целесообразно рассмотреть теоретические зависимости стоимо-
сти 1 кВт установленной мощности от удельной мощности и к.п.д. при различной
стоимости 1 м2 ФП и концентратора. Задавшись к.п.д. СЭС и стоимостью 1м2 ФП
и отражателей, можно подсчитать стоимость 1 м2 ФП и отражателя в расчете на
1 кВт мощности СЭС (рис. 3.6, 3.7).
Солнечные фотоэлектрические водоподъемные установки с концентрацией
5—10 и солнечные батареи для космических аппаратов [7] имеют удельную
мощность 0,05—0,5 кВт/м2 (заштрихованная область АС на рис. 3.6). Точка В
соответствует американскому проекту Глазера космической гелиостанции на
10 млн. кВт. Современная стоимость 1 кВт мощности для рассмотренных стан-
ций составляет 10 000—500 000 руб., что для большой энергетики экономически
неприемлемо.
Снижение стоимости 1 кВт мощности ФП до 100 руб. возможно, если удель-
ная мощность ФП превышает 10 кВт/м2 (область ДЕ, см. рис. 3.6). Концентра-
ция 100 (точка Е) соответствует современному состоянию стоимости кремние-
вых ФП. Концентрация 1000 (точка Д) соответствует оптимальной области ис-
пользования ГФП на основе арсенида галлия.
Общая стоимость солнечного фотоэлектрического модуля с концентратором
определяется выражением
С = Ск(1+в01пх) + Сфп/Х (3.58)
где Ск и Сф„ — стоимости единицы площади концентратора и ФП. Первое слагаемое в формуле (3.58)
представляет эмпирическую зависимость стоимости концентратора от степени концентрации X; а0 —
коэффициент, учитывающий стоимость конструкции и технологии изготовления концентратора
ао=О,5—1,5.
ПО
Общая стоимость имеет минимум при
*О=СфгАСк Р-59)
Расчет по формулам (3.58), (3.59) при Ск=40 руб/м2, СФп= 1600 руб/м2 для
ФП из кремния и 40 000 руб/м2 для ГФП, «о= 1 дает Хо=4О для кремния и
Хо=ЮОО для ГФП.
Хотя пока не существует СЭС с параметрами, соответствующими области
ДЕ, очевидно, что работы по созданию СЭС с такими параметрами наиболее пер-
спективны для большой энергетики.
При снижении к.п.д. площадь отражателя, необходимая для получения 1 кВт
мощности, увеличивается и, соответственно, возрастает его стоимость (см.
рис. 3.7). Максимальный вклад отражателя в стоимость СЭС при к.п.д. 10% со-
ставляет 400—1200 руб/кВт, при к.п.д. 20% — 200—600 руб/кВт. Если предпо-
ложить, что блок управления и автоматики имеет такую же стоимость, то сум-
марная стоимость 1 кВт мощности СЭС даже при существующей стоимости
кремния становится соизмеримой с показателями атомных электростанций.
Из анализа экономических показателей СЭС следует, что к.п.д. ФП при за-
данной удельной мощности не повлияет на стоимость энергоблока, а скажется
только на площади и стоимости отражающих зеркал, фокусирующих солнечное
излучение. Поскольку стоимость единицы площади зеркала на три порядка
меньше стоимости кремниевых ФП, а солнечная энергия является бесплатной,
главным показателем СЭС следует считать удельную мощность ФП при работе
с концентраторами, т.е. способность ФП сохранять к.п.д. при увеличении осве-
щенности. Если к.п.д. СЭС при увеличении удельной мощности ФП не сохранит-
ся, то суммарная стоимость ФП и отражателей имеет минимум, который с увели-
чением к.п.д. сдвигается в сторону больших удельных мощностей. Если же к.п.д.
не зависит от удельной мощности, то верхний предел удельной мощности и осве-
щенности будет определяться не снижением стоимости ФП, а возможностями
создания экономичных высокоточных концентраторов и обеспечения охлажде-
ния энергоблока.
По конструкции разрабатываемые СЭС с концентраторами можно разделить
на два типа: СЭС с полем гелиостатов и центральным приемником и СЭС, содер-
жащие энергетические поля из распределенных фотоприемников и концентрато-
ров. СЭС с полем гелиостатов содержит установленные в несколько рядов ориен-
тируемые гелиостаты, отражающие солнечное излучение на приемник, распо-
ложенный на центральной башне. Лучи от всех гелиостатов собираются на при-
емнике и концентрация излучения равна числу гелиостатов в электростанции.
Особенностью такой конструкции СЭС является сложность изготовления
и эксплуатации приемника, установленного на башне на большой высоте, а так-
же низкий коэффициент использования площади гелиостатов и поверхности
приемника. При перемещении Солнца используется только часть гелиостатов
в утренние, полуденные и вечерние часы.
На рис. 3.8, 3.9 показаны принципиальная и оптическая схемы солнечной
электростанции с полем гелиостатов [34]. СЭС содержит установленные в не-
сколько рядов ориентируемые гелиостаты 1, отражающие солнечное излучение
на приемник 2. Между гелиостатами 1 и приемником 2 установлены под углом
р'=5—20° друг к другу фоконы (фоклины) с параметрическим углом у0=Ю—
—30°, а угол <о между нормалями ri\ и м2 к гелиостатам, расположенным в край-
них рядах, равен параметрическому углу уо- В зависимости от типа приемника
выбирается дополнительное отражающее устройство — фоклин или фокон.
Гелиостаты установлены в несколько рядов в направлении с запада на во-
сток на склоне горы и ориентированы на юг. Приемник 2 расположен в фокаль-
ной области на выходе фоклинов (фоконов), суммарная длина которых равна
одному из размеров поля гелиостатов.
111
Рис. 3.5. Зависимости к.п.д. различных типов
коллекторов от температурного перепада
1 — плоский коллектор с одинарным остекле-
нием; 2 — плоский коллектор с двойным остек-
лением; 3 — фокусирующий коллектор на базе
ПЦ-фоклина с концентрацией Л'=3
Рис. 3.6. Зависимость стоимости ФП в расчете
на 1 кВт мощности СЭС от удельной мощности
ФП при различной стоимости / м2 ФП,
тыс. руб/м2
АС — солнечная батарея с обычными ФП;
В — проект Глэзера; DE — СЭС с концент-
раторами
Рис. 3.7. Зависимость стоимости отражателя
в расчете на 1 кВт мощности СЭС от к.п.д.
СЭС при различной стоимости 1 м2 отражате-
ля, руб/м1
ДЕ — СЭС с концентраторами
Рис. 3.8. Общий вид СЭС с полем гелиостатов
I — гелиостат; 2 — фотоприемник; 3 — фоко-
ны (фоклины)
Рис. 3.9. Оптическая схема СЭС
/О, п2, п3 — нормали к плоскости гелиостатов;
/ — гелиостат; 2 — фокон (фоклин)
Рис. 3.10. Ход лучей в СЭС для восходящего
и заходящего солнца (1 и 2 — то же, что на
рис. 3.9)
Рис. 3.11. Ход лучей в СЭС для полуденного
солнца (1 и 2 — то же, что на рис. 3.9)
112
Угол между нормалью п, и направлением излучения, отраженного от гелио-
стата к фоклину, равен (уо+фо) /2, а угол между нормалью и направлением из-
лучения, отраженного к фоклину, равен (уо—jo) /2, где <р0 — высота Солнца над
горизонтом.
Из оптической схемы солнечной электростанции для восходящего (заходя-
щего) Солнца (рис. 3.10) следует, что
ах+а2 = (у0 + Ф0)/2 - (у0 - у>0)/2 = ,70 = со. (3.60)
Аналогично из оптической схемы для полуденного Солнца следует, что
“1 - «2 = Ц) + U /2 - ^0 " у0^2 = y0=CJ> (3-61)
где «1 ищ — углы соответственно между нормалями и пг и горизонтальной плоскостью.
Для нормальной работы электростанции необходимо, чтобы угол между нор-
малью к плоскости миделя фоклина и направлением излучения от гелиостата
к фоклину 0о был меньше параметрического угла уо-
Солнечная электростанция работает следующим образом. Солнечное излуче-
ние попадает на гелиостаты 1, которые направляют концентрированный сходя-
щийся пучок на фоклины 3. При этом излучение повторно концентрируется
фоклинами и попадает на приемник 2.
Установка фоклинов с параметрическим углом уо=1О—30° под углом друг
к другу, равным 0'=5—20°, позволяет увеличить концентрацию солнечной энер-
гии на поверхности приемника, либо уменьшить площадь гелиостатов при сохра-
нении концентрации. При этом суммарная площадь гелиостатов может превы-
шать площадь миделей фоклинов в 2—200 раз.
Расчеты показывают, что при снижении разницы в стоимости металлургиче-
ского (1 руб/кг) и «солнечного» (100 руб/кг) кремния с двух порядков до одного
и полной автоматизации технологического процесса производства ФП из крем-
ния будут стоить 300—500 руб/кВт. В этом случае применение концентрирую-
щих элементов будет экономически оправданным, если они будут одновремен-
но выполнять роль герметизирующих защитных оболочек и концентрировать как
прямую, так и рассеянную солнечную радиацию. Такими концентраторами явля-
ются, например, фоконы и фоклины.
Выражение для количества электроэнергии, вырабатываемой ФП с фоконом
за сутки, при отсутствии слежения за Солнцем, имеет вид [17]:
Q = Ео 5фп ”о ’’опт <24 70)/ (" sin2 7()) (3.62)
где Хфп, т]о — площадь и к.п.д. ФП; Пот, То — оптический к.п.д. и параметрический угол фокона;
24то/л — число часов работы фокона за сутки при перемещении излучения Солнца через осевое се-
чение; l/sin2yo —коэффициент геометрической концентрации фокона.
При ориентации фокона на юг с учетом широты местности и угла склонения
Солнца получаем из (3.62), что Q-^oo при у-э-0, т. е. целесообразно параметри-
ческий угол делать как можно меньше.
Практически минимальный параметрический угол определяется технологиче-
скими ограничениями при производстве фоконов и возможностью периодиче-
ского изменения ориентации по склонению.
При неточной ориентации для сечения, расположенного на расстоянии /о от
оси фокона, число часов работы модуля уменьшается пропорционально множи-
телю д/ Do—4/o/jDo (где Do — диаметр входного отверстия фокона).
Если допустить изменение Q на 13% из-за дефокусировки фокона на /0=
=0,25Da, то число циклов ориентации по углу склонения за год составит пю»
«24/уо, а по азимуту за сутки при движении Солнца в осевой плоскости «2<>~
жл/(2уо)- Для •уо=26°ЗО'(А=5) пю=1, «2о=3.
113
Для солнечных электростанций с концентраторами электрической мощ-
ностью до 10 кВт, предназначенных для получения электрической и тепловой
энергии, целесообразно использовать концентрирующие системы с одноосной
ориентацией, с оптической осью, расположенной в направлении восток—запад,
например, фоконы (фоклины), линейные линзы Френеля или параболоцилиндри-
ческие концентраторы. Электрическая энергия СЭС в этом случае используется
для питания, освещения, электрических насосов, блоков автоматики в системах
горячего водоснабжения и отопления, бытовой электрорадиоаппаратуры.
При дальнейшем увеличении мощности предпочтительнее оказываются кон-
струкции СЭС с гелиостатами и неподвижными приемниками, объединенными
в одном блоке с тепловым аккумулятором, насосами и теплорегулирующей ап-
паратурой. В этом случае СЭС может выполнять функции теплоэлектроцентра-
ли, обслуживающей крупный административный, общественный центр или груп-
пу жилых зданий. Однако для личных сельских домов целесообразно использо-
вать индивидуальные комбинированные установки.
3.2.3. Солнечные электростанции без концентраторов.Практическая реализа-
ция энергосистем фотоэлектрического преобразования концентрированного сол-
нечного излучения связана с решением сложных инженерных задач по созданию
и организации производства оптико-концентрирующих систем, опорно-поворот-
ных конструкций со следящим электроприводом и т. д. Поэтому несмотря на то,
что общее производство СЭС в мире превышает 30 МВт пиковой мощности в год,
до настоящего времени коммерческие электростанции с концентраторами не по-
лучили широкого распространения.
Основными конструктивными элементами СЭС без концентраторов являются
плоские неподвижные фотоэлектрические панели, ориентируемые на юг под
углом к горизонту, равным широте местности. Пиковая мощность одной панели
составляет 10—40 Вт, напряжение 12 В, к.п.д. 8—10%. Недостатком плоских
панелей является деградация мощности из-за осаждения пыли и необходимость
герметизации.
Высокую надежность и длительный ресурс работы имеет солнечная энергети-
ческая установка, в которой ФП помещены в восстановительную среду и заклю-
чены в прозрачные герметичные цилиндрические оболочки из стекла. Стеклян-
ные цилиндрические поверхности обладают свойством самоочищения от пыли
и грязи, а защитная среда внутри оболочки увеличивает срок службы ФП
[11,19].
В СССР разработаны и проходят ресурсно-исследовательские испытания бо-
лее 200 СЭС мощностью до 1 кВт на основе фотоэлектрических модулей в газо-
наполненных стеклянных защитных оболочках. Статическая обработка резуль-
татов испытаний за 12-летний период показала, что скорость деградации тока
короткого замыкания составила в среднем 0,8% в год, в том числе в первые три
года 1,4% в год, далее 0,7% в год, за последние три года признаки деградации
отсутствуют. Перепад температур между ФП в стеклянной оболочке и воздухом
составляет Д7'=0,7-|-15,5 Ео (где £о=О,3—1,0 кВт/м2).
Для температуры воздуха 20° С, скорости ветра 1 м/с и энергетической осве-
щенности 1 кВт/м2 перепад температур составил 15,3+2,1° С, что практически
совпадает с ДТ для открытых освещаемых ФП= 15,3+3,1 ° С.
На рисунках 3.12 и 3.13 показаны солнечные фотоэлектрические станции для
подъема воды и снабжения зданий электрической и тепловой энергией.
Фотоэлектрический метод не имеет принципиальных ограничений по сниже-
нию стоимости: с 1958 г., когда первые солнечные батареи были установлены на
спутниках Земли, стоимость ФП снизилась в 100 раз [14, 20, 21]. Современная
стоимость ФП составляет 10—15 руб/Вт. При достижении стоимости пиковой
мощности 2 руб/Вт и стоимости электроэнергии 16 коп/(кВт- ч) СЭС будут
иметь неограниченный рынок сбыта среди автономных потребителей. Для цент-
ральных станций эти цифры должны быть снижены до 1 руб/Вт и 8 коп/
114
Рис. 3.12. Солнечная фотоэлектрическая станция для подъема воды. Электрическая мощность
250 Вт, производительность при глубине колодца 10 м равна 1 м3/ч, максимальная глубина колод-
ца 50 м
Рис. 3.13. Комбинированная фотоэлектрическая станция для получения электрической и тепловой
энергии. Электрическая мощность 1 кВт, тепловая мощность 10 кВт, апертура концентратора 2X12 м
115
(кВт- ч). Общий объем возможного использования автономных СЭС в мире
оценивается в 40 ГВт, в СССР — 500 МВт.
Экологическая чистота СЭС позволяет создавать архитектурные и инженер-
ные композиции, в которых органически сочетаются природные ландшафты
и среда обитания с энергетическими установками. Наиболее простым и рацио-
нальным решением является размещение энергетических полей из полупрозрач-
ных солнечных модулей на опорах над поверхностью земли. Ослабление солнеч-
ной радиации летом на 30% элементами конструкции СЭС являются положи-
тельным фактором для большинства районов Туркмении, Узбекистана и За-
кавказья, которые летом страдают от избыточной инсоляции. Кроме того, конст-
руктивные элементы СЭСявляются тепловыми аккумуляторами при резком пере-
паде температур и защищают растения от града. Возможно использование энер-
гии СЭС для электрификации и механизации технологических процессов обра-
ботки сельскохозяйственных культур, размещенных под энергетическими поля-
ми. Фотоэлектрические модули могут образовывать пространственно-архитек-
турные композиции, которые являются элементами зданий, общественных
центров, пляжей, автостоянок, кафе и т. д.
3.2.4. Структурные конструкции опор солнечных электростанций. Солнечная
энергия обладает незначительной плотностью, поэтому строительство СЭС тре-
бует больших затрат гелиотехнических и конструкционных материалов. Стои-
мость полупроводниковых фотопреобразователей снижается по мере увеличения
их производства. Напротив, стоимость конструкционных материалов — метал-
ла, древесины, бетона — растет ввиду удорожания сырья и энергии. Вероятно,
что в будущем стоимость СЭС будет определяться, в первую очередь, стои-
мостью несущих конструкций.
Наибольшее поступление солнечной энергии приходится на пустыни и высо-
когорья. Но строительство в таких условиях предъявляет особые требования
к опорным конструкциям; они должны сочетать прочность, жесткость, экономич-
ность, индустриальность, транспортабельность и быстросборность. Перечислен-
ные качества характерны для структурных конструкций, получивших распро-
странение в строительстве. Но известные конструкции трудно применить в опор-
ных каркасах СЭС. Они ограничены по своим возможностям формообразования
и представлены плоскими структурными плитами с квадратными или треуголь-
ными ячейками [22].
Опорные конструкции СЭС предназначены для поднятия панели ФП над по-
верхностью земли и фиксации ее под определенным углом. На первый взгляд,
эти функции могут выполнять простые стоечно-балочные конструкции. Однако
они требуют слишком частого устройства фундаментов — наиболее трудоемкой
части сооружения, возводимого в условиях труднодоступной местности. Приме-
нение структурных конструкций позволит решить эту проблему. При наличии
жесткого каркаса можно увеличивать расстояние между фундаментами или
вообще от них отказаться, заменив распределительными плитами.
Основная проблема здесь — разработка структурных конструкций с расши-
ренными возможностями формообразования. Необходимы такие системы струк-
турных конструкций, которые, обладая предельной типизацией элементов, по-
зволяют строить сложные каркасные схемы.
Не решена до конца и другая важная проблема — создание эффективных
узловых соединений. Применяются десятки типов конструкций узлов, но среди
них нет общепризнанного наилучшего. Узловые соединения в значительной сте-
пени обусловливают прочность, надежность, технологичность, экономичность
и трудоемкость изготовления конструкции в целом.
Третья нерешенная проблема — это оптимальный подбор сечений стержней.
Структурные конструкции состоят из большого числа стержней и узлов и явля-
ются многократно статически неопределимыми. Их точный расчет выполняется
на ЭВМ и требует больших затрат машинного времени. Подбор сечений и пере-
116
бор вариантов в поисках наиболее точных градаций связан с изменением соот-
ношения жесткостей в схеме, что требует повторных расчетов конструкции. При-
нимаемые на практике решения далеки от наилучших. Необходимо найти ана-
литическое решение задачи и на его основе оптимизировать сортаменты унифи-
цированных элементов.
3.2.5. Прототипы структурных конструкций. Геометрические схемы структур-
ных конструкций берут начало в кристаллографии [23]. Кристаллические струк-
туры демонстрируют возможности природы создавать бесчисленное множество
схем из ограниченного набора исходных элементов. Секреты их многообразия
следует искать в законах структурного строения, которые подчинены принципам
симметрии.
Кристаллическая структура образована из закономерно расположенных ча-
стичек вещества. Их взаимное расположение обусловлено силами внутреннего
взаимодействия и влиянием внешних воздействий. Равновесие кристаллической
структуры достигается при соблюдении принципа сохранения наименьшей внут-
ренней энергии и принципа максимального заполнения пространства. Геомет-
рически они реализуются в плотнейших упаковках атомов. Такие упаковки об-
ладают наиболее прочными межатомными связями. Энергетическое равновесие
атомарного комплекса обусловливает прочностные и упругие свойства твердого
тела. Металлы характеризуются наивысшей симметрией структурного строения.
Они состоят из одинаковых атомов, которые взаимодействуя друг с другом, стя-
гиваются в наиболее компактные комплексы, устойчивые с позиций энергетиче-
ского равновесия [24, 25].
Симметрия внутренней структуры и внешних форм кристалла является след-
ствием энергетического равновесия внутренних и внешних сил. Кристаллическая
структура испытывает воздействия внешней среды. Симметрия, потенциально
заложенная в единичной ячейке, может проявиться в кристаллической структу-
ре полностью или частично, что зависит от симметрии среды. Согласно принципу
П. Кюри, при наложении симметрии среды и симметрии решетки остаются лишь
общие для них элементы [24—26].
Для дальнейшего анализа наибольший интерес представляют кристалличе-
ские структуры металлов, которые характеризуются наиболее симметричными
правильными укладками атомов. Если соединить между собой центры тяжести
атомов, то образуются пространственные регулярные решетки, состоящие из
правильных и полуправильных многогранных ячеек. Для них характерны так
называемые триангулированные схемы, которые имеют треугольную форму
плоских ячеек. Триангулированные кристаллические комплексы являются наи-
более уравновешенными в энергетическом плане [24, 25]. Триангулированные
стержневые схемы — наиболее жесткие с позиций строительной механики [27].
Стабильность структуры в обоих случаях обусловлена энергетическим равно-
весием. Под действием эксплуатационных нагрузок в элементах структурной
конструкции возникают расчетные усилия. В то же время напряжения в метал-
лических стержнях структурной конструкции представляют собой упругую по-
тенциальную энергию, накопившуюся в кристаллической структуре металла.
Полная потенциальная энергия стержневой конструкции суммируется из энер-
гии внешних и внутренних сил. Минимум потенциальной энергии достигается
в состоянии равновесия [27].
Очевидно, что из всех возможных схем структурных конструкций минималь-
ная потенциальная энергия характерна для симметричных схем, т. е. симметрия
структуры характерна как для кристаллической решетки металла, так и для гео-
метрической схемы структурной конструкции в целом. Одни и те же универсаль-
ные принципы действуют на разных уровнях построения структур.
Можно проследить физическую аналогию между кристаллической структу-
рой металла и металлической структурной конструкцией. Узлы кристаллической
структуры совпадают с центрами атомов, которые связаны друг с другом силами
117
взаимодействия. Узлы структурной конструкции также представляют собой
центры масс, которые связаны между собой усилиями, передающимися стержня-
ми. В обоих случаях равновесие структуры подчинено энергетическим законам
взаимодействия ее элементов. Следовательно, как и в кристаллических струк-
турах, в структурных конструкциях симметричные схемы предпочтительны.
Строительные конструкции эксплуатируются в условиях земного тяготения,
определяющего природу большинства расчетных нагрузок. Гравитационное
поле можно считать средой существования структурной конструкции, которое
обладает характеристической симметрией. Структурные конструкции копируют
геометрические схемы кристаллических структур. Но симметрия кристалличе-
ских структур, как правило, более высокая, чем симметрия гравитационного
поля. Если следовать принципу П. Кюри, то в структурной конструкции должны
остаться только общие элементы симметрии гравитационного поля и кристалли-
ческой структуры. Данный принцип способен привести к построению оптималь-
ных схем и должен стать главенствующим при формообразовании структурных
конструкций.
Кристаллическая структура строится по направлениям прямолинейных кри-
сталлографических осей. Поэтому для нее характерны прямые ряды, плоские
сетки и пространственные регулярные решетки. Закономерности структурного
строения находят отражение во внешних формах кристаллов, для которых ха-
рактерны плоские грани и прямые ребра, соответствующие плоским сеткам
и прямым рядам кристаллической решетки. Взаимное расположение плоских се-
ток увязано с системой кристаллографических осей, поэтому в кристаллах,
имеющих одинаковое структурное строение, углы между соответственными гра-
нями равны. Однако эти грани могут развиваться по-разному в отдельных инди-
видуумах, что лежит в основе вариации пространственных форм кристал-
лов [24].
При построении структурных конструкций по кристаллографическому прин-
ципу постоянство углов между симметричными направлениями ведет к типиза-
ции узловых элементов. В структурных конструкциях узловые элементы наибо-
лее сложные и трудоемкие в изготовлении. Плоскогранность и прямореберность
кристаллических форм способствует упрощению конструктивной формы узловых
и стержневых элементов.
Грани кристалла, продленные до пересечения с кристаллографическими
осями, отсекают на них отрезки, которые относятся один к другому как целые
и взаимно простые числа [24]. На основе этого закона строится модульная гра-
дация длин стержней. Элементы, направленные по кристаллографическим осям,
имеют рациональную градацию длин, направленные же по некристаллографиче-
ским осям — иррациональную градацию длин.
Иррациональные модули положены в основу архитектурных пропорций. Они
зародились в Древнем Египте и Древней Греции как следствие интуитивного
представления о симметрии. Современное строительство избегает иррациональ-
ных модулей. Размеры зданий, сооружений и их частей принимаются кратными
целым числам.
Иррациональные модули известны со времен Древнего Египта и лежат
в основе архитектурных пропорций; они отражают интуитивное представление
древних о симметрии. В современном строительстве стараются избегать ирра-
циональных модулей. Размеры зданий, сооружений и их частей обычно прини-
мают кратными целым числам. Но иррациональные модули объективно следуют
из пропорциональных отношений параметров кристаллографических систем. От-
резки, отложенные в кубической системе по осям симметрии 4-го, 3-го и 2-го по-
рядков, относятся как 1:-\/3:-\/2, что соответствует размерам ребра куба, его про-
странственной диагонали и диагонали квадратной грани. Направления осей
симметрии можно реализовать в системе структурных конструкций. Чтобы
исключить влияние иррациональных модулей, необходимо совместить ортого-
118
нальные оси зданий с кристаллографическими осями симметрии 4-го порядка.
Тогда элементы с иррациональными размерами будут направлены по диагона-
лям каркаса.
По аналогии с кристаллическими решетками структурные конструкции
можно представить в виде системы параллельных слоев, закономерно ориенти-
рованных относительно осей симметрии системы. Они могут наслаиваться друг
на друга, образуя многоярусную структуру. С другой стороны, от первичной
структуры можно отсекать лишние части, образуя конструкции сложной формы.
В соответствии с законами решетчатого строения структуры, все стержни
и узлы конструкции должны лежать в системе параллельных и взаимно пересе-
кающихся плоскостей, перпендикулярных осям кристаллографической симмет-
рии. При этом каждый стержень и узел лежат на пересечении двух или более
плоскостей симметрии системы, тогда достигается предельная типизация эле-
ментов и наибольшая вариабельность схем. Очевидно, что высокая симметрия
структуры должна вести к предельной типизации элементов. Сложнее объяснить
причину большой вариабельности структурных схем и форм, построенных по
законам симметрии. Согласно П. Кюри симметрия — это состояние простран-
ства, характерное для среды, в которой происходит данное явление. В характе-
ристику каждого явления входят определенные элементы симметрии, совмести-
мые с его существованием. «Некоторые элементы симметрии, — пишет П. Кю-
ри, — могут сосуществовать с определенными явлениями, но они не необходимы.
Необходимо отсутствие некоторых элементов симметрии. Это и есть та дисим-
метрия, которая творит явление» [26].
Этот принцип можно реализовать при построении структурных схем. Систе-
му осей кристаллографической симметрии можно представить в виде модульной
решетки и считать средой, в которой образуется конструкция. Она трехмерна,
бесконечна и обладает характеристической симметрией. Построенные в ней
структурные конструкции ограничены в своих размерах, неравноценны в трех
измерениях и обладают более низкой симметрией, в которой отсутствуют не-
которые элементы симметрии модульной решетки. Построение структурных
конструкций можно рассматривать как реализацию части направлений мо-
дульной решетки [28, 29]. При этом пропадают некоторые элементы симметрии,
т. е. появляется дисимметрия. Чем выше симметрия модульной решетки, тем
больше существует вариантов дисимметрийных композиций, т. е. тем больше
вариабельность структурных схем и конструктивных форм, построенных на
основе модульной решетки. При этом сохраняется предельная типизация элемен-
тов, обусловленная высокой симметрией решетки. Дисимметрия порождает ва-
риабельность, но не нарушает предельную типизацию элементов.
3.2.6. Системы структурных конструкций. В кристаллографии системой
называют совокупность структурных видов, характеризуемых сходными геомет-
рическими константами и одноименными элементами симметрии. Известны семь
кристаллографических систем — так называемых сингоний. Понятие «система»
раскрывается через другое фундаментальное понятие — «симметрия», которое
определяется как закон строения структурных объектов, состоящий из правиль-
но расположенных, эквивалентных и взаимосвязанных элементов, сохраняющих
структурную целостность при геометрических преобразованиях [30].
Однако применительно к структурным конструкциям понятие «система» не
имеет однозначной трактовки. Например, любая стержневая конструкция счи-
тается «системой», поскольку состоит из множества закономерно связанных
элементов. В то же время «системой» называется группа структурных конструк-
ций, типологически подобных и собираемых из элементов унифицированного
сортамента, например, конструкции типа «МАрхИ«, реализующие единст-
венную типологическую схему «октаэдр-]-тетраэдр», но имеющие разные разме-
ры и формы в плане [31]. Существует еще одно понятие «системы» — так
называют группу конструкций с разными типологическими схемами, но по-
119
строенных по единому принципу и собираемых из элементов единого унифициро-
ванного сортамента (например, известная система «Меро», которая наиболее
близка к понятию «кристаллографической системы») [32].
В конструкциях системы «Меро» реализуются симметрийные пространствен-
ные направления, но построение геометрических схем ведется комбинаторным
методом — схемы образуются в результате пространственной компоновки мо-
дульных стержневых многогранников. Однако такая методика позволяет реали-
зовать только малую часть потенциальных возможностей системы, поэтому
структурные конструкции «Меро» ограничены плоскими решетчатыми плитами.
Плоская структурная плита работает хуже, чем пространственная конструкция.
При изгибе в ее стержнях возникают сжимающие и растягивающие усилия, кото-
рые распределяются неравномерно. Максимальные усилия приходятся на опор-
ные зоны и середину пролетов. При этом большинство стержней недогружены
и принимаются по предельной гибкости, что ведет к нерациональному расходу
материала. Большой диапазон усилий в стержнях затрудняет их унификацию
[33, 34].
Применение плоских структурных плит в строительстве можно оправдать
особенностями объемно-планировочных решений зданий. Но в СЭС они не толь-
ко малоэффективны, но и неприемлемы по условиям компоновки сооружения.
Опорные конструкции СЭС тяготеют к пространственным формам, поскольку
солнечная энергия поступает в течение дня с разных пространственных на-
правлений.
Структурные конструкции гелиоэнергетических сооружений необходимо
строить на основе кристаллографических методов, которые в принципе отли-
чаются от комбинаторных методов. Последние основаны на добавлении элемен-
тов друг к другу, и результат зависит от того, насколько удачно выбраны эти
элементы и какова их схема состыковки. В результате комбинаторные методы не
позволяют выявить весь диапазон возможных решений.
Кристаллографический подход избавлен от этих недостатков. В этом случае
весь комплекс решений потенциально заложен в модульной решетке, и схемы
конструкций строятся не добавлением элементов друг к другу, а вычитанием их
из модульной решетки. Если в качестве таковой принимается система симмет-
рийных пространственных направлений, то формообразование структурных кон-
струкций можно вести по принципу симметрии П. Кюри. Кристаллографический
подход позволяет выбрать не только наилучшую схему в данной системе, но и
наилучшую систему из числа возможных, основанную на унифицированном
сортаменте элементов.
Для реализации в структурных конструкциях наиболее перспективна высоко-
симметричная кристаллографическая система — кубическая сингония, которая
характеризуется наличием четырех осей симметрии 3-го порядка, трех осей
4-го порядка и шести осей 2-го порядка. Оси 4-го порядка служат установоч-
ными осями и соответствуют декартовым координатным осям. В результате от-
ложенные по ним отрезки имеют рациональные параметры. Между осями лежат
характеристические углы, при этом направления одноименных осей равнознач-
ны [25, 26, 30].
Стержни структурных конструкций следует ориентировать по направлениям
осей симметрии. Ввиду равнозначности одноименных осей достигается предель-
ная типизация элементов. Чем больше в симметрийной системе одноименных
осей, тем выше уровень типизации элементов. В кубической сингонии наиболь-
шее число направлений у осей симметрии 2-го порядка: в каждом узле пересе-
кается шесть таких осей, т. е. в типовом узловом элементе сходятся максимум
двенадцать стержней, направленных по этим осям. Углы между соседними
стержнями соответствуют характеристическим углам кубической сингонии и
равны 60, 90, 120° и др.
Из этих стержней можно строить структурные плиты с треугольными и квад-
120
ратными ячейками, а их пространственная компоновка образует схему чере-
дующихся октаэдров и тетраэдров. Основным достоинством этой схемы являет-
ся высокая пространственная жесткость, которая следует из геометрической
неизменяемости схемы. На ее основе построена большая часть применяемых
в строительстве структурных конструкций: структурных плит с квадратными
и треугольными ячейками. С позиций кристаллографического подхода можно
считать, что они высечены из модульной решетки, образованной системой осей
симметрии 2-го порядка. Такой подход позволяет строить пространственные
каркасы сложных форм, а не ограничиваться плоскими структурными плитами.
Другую систему пространственных конструкций можно построить на осях
симметрии 4-го порядка. В каждом узле такой системы пересекаются три оси или
сходятся шесть взаимно перпендикулярных стержней. В этой системе плоскост-
ные сетки образованы из квадратных ячеек, а объемные ячейки представлены
кубической формой. Достоинства и недостатки этих ячеек общеизвестны —
они компактно заполняют пространство, но при шарнирных узлах геометрически
изменяемы и могут применяться в каркасах только при наличии жестких
узлов, например, в многоэтажных зданиях. Однако, если элементы этих карка-
сов имеют разную длину, то увеличивается число типоразмеров, понижается
симметрия и система переходит из кубической в ромбическую сингонию [24].
Поэтому ортогональные каркасы зданий не относят к структурным конструк-
циям, хотя они и обладают кристаллографической симметрией.
Третья конструктивная система строится на системе осей симметрии 2-го
и 4-го порядков. Она суммирует достоинства двух предыдущих систем: ортого-
нальность пространственных построений, геометрическую неизменяемость схем,
предельную типизацию элементов и вариабельность структурных решеток.
Оси симметрии 2-го и 4-го порядка пересекаются под характеристическими
углами 60, 90, 45° и др. В одном узле системы сходятся шесть осей 2-го порядка
и три оси 4-го порядка или 18 стержней, длины которых кратны модулю д/2. На
основе этой системы разработаны конструкции «Меро» [32], «Веймар» и «Ок-
тант». Последние отличаются от своих предшественников решением узловых
соединений [35] и методикой построения геометрических схем [28, 29].
Оси симметрии 4-го и 2-го порядков образуют модульную сетку с кубически-
ми ячейками. Оси 4-го порядка совпадают с их ребрами, а оси 2-го порядка —
с диагоналями квадратных граней. В эту модульную сетку можно вписывать
многогранники по правилу соединения ее узлов в направлении образующих ее
осей, т. е. по ортогоналям и диагоналям (рис. 3.14). Схемы структурных конст-
рукций строятся из этих модульных многогранников [28, 29] или образуются не-
посредственно в модульной сетке. В результате можно получить решетчатые
стержни различных типов (рис. 3.15), структурные плиты с квадратными, тре-
угольными, шестиугольными и прямоугольными ячейками (рис. 3.16) и струк-
турные конструкции сложных пространственных форм.
Четвертая конструктивная система строится на сочетании осей симметрии
4-го и 3-го порядков. Она отличается от системы «Октант» меньшим числом ис-
пользуемых пространственных направлений. В одном узле пересекаются три оси
4-го порядка и четыре оси 3-го порядка или сходятся 14 стержней под характе-
ристическими углами 90°, 70°32', 54°44' и др.
Оси симметрии 4-го и 3-го порядков, направленные из узла в разные стороны,
образуют пучок лучей с координационным числом 14. Если по осям 4-го порядка
отложить единичные отрезки, а по осям 3-го порядка — отрезки, равные д/3/2,
и соединить концы отрезков между собой, то образуется координационный мно-
гогранник в форме ромбододекаэдра с малыми диагоналями граней. Ребра
ромбододекаэдра расположены параллельно осям 3-го порядка, а малые диаго-
нали граней — осям 4-го порядка (рис. 3.17).
Ромбододекаэдр относится к параллелоэдрам Федорова, которые всплошную
заполняют пространство при параллельных переносах [24]. Из ромбододекаэд-
121
Рис. 3.14. Способ построения системы струк-
турных конструкций на основе модульной сет-
ки с кубическими ячейками (28]
а — модульная градация длин стержней; б —
направления стержней в пространстве; в -
модульные многогранники — тетраэдр (Т).
антисфеноид (ДСФ), полу- и четвертьоктаэд-
ры (1/20 и 1/40), кубодиагональсегмент
(КДС), одинарный (КОС) и двойной (2К0С)
кубоокта эдросегм енты, полукубооктаэдр
(1/2 КО)
Рис. 3.16. Структурные плиты системы «Ок-
тант» с квадратными (а), треугольными (б)
и прямоугольными (в) ячейками
Рис. 3.17. Способ построения системы струк-
турных конструкций на основе модульной сет-
ки с ячейками в форме ромбододекаэдров
а—модульные многогранники — куб (К),
1/6 и удвоенная 1/6 куба, ромбоэдр (РЭ), 1/3
и 1/6 ромбоэдра, ромбододекаэдр (РДУ,
б - модульная градация длин стержней;
в — направления стержней в пространстве;
г — геометрические параметры модульных
многогранников
122
ров можно построить модульную сетку и вписывать в нее модульные многогран-
ники по правилу соединения ее узлов в направлении ребер, малых диагоналей
граней и осей симметрии ячеек. Эти многогранники обладают модульной града-
цией ребер, кратной д/3/2 (см. рис. 3.17).
Геометрические схемы структурных конструкций строятся компоновкой мо-
дульных многогранников или по модульной сетке. Универсальность направле-
ний, выбранных для данной системы конструкций, присутствие этих направле-
ний на поверхности ячеек и на их осях делает систему достаточно вариабельной
при минимуме используемых направлений. В этой системе могут быть построены
различные решетчатые стержни, структурные плиты с квадратными, треуголь-
ными и шестиугольными ячейками, а также структурные конструкции сложных
пространственных форм. Уменьшение числа используемых пространственных
направлений с 18 до 14 ведет к упрощению узловых соединений. Структурные
плиты с квадратными ячейками отличаются большей компактностью. Их конст-
руктивная высота снижается с 0,707 до 0,5 от размера ячейки, что способствует
повышению экономической эффективности.
Пятая конструктивная система строится на сочетании осей симметрии 3-го
и 2-го порядков. В одном ее узле пересекаются четыре оси 3-го порядка и шесть
осей 2-го порядка или сходятся 20 стержней. Между осями симметрии лежат ха-
рактеристические углы 70°32', 60°, 35°16' и др. Модульная сетка состоит из
ромбододекаэдрических ячеек. Модульные многогранники вписываются в мо-
дульную сетку по правилу соединения ее узлов в направлении ребер, больших
диагоналей граней, а также осей симметрии, проходящих через вершины ромбо-
додекаэдров, в которых сходятся три грани.
Геометрические схемы конструкций образуются из модульных многогран-
ников или по модульной сетке. В данной системе могут быть построены решетча-
тые стержни, структурные плиты с квадратными, треугольными, шестиуголь-
ными и ромбическими ячейками, а также конструкции сложных пространствен-
ных форм. К недостаткам системы относят сравнительно большое число стреж-
ней, сходящихся в типовом узле, к достоинствам — компактные решения струк-
турных плит с треугольными и шестиугольными ячейками. Их конструктивная
высота, по сравнению с высотой таких плит в системе «МАрхИ», снижается в три
раза — с 0,816 до 0,272 от размера ячейки.
Шестая конструктивная система строится на сочетании всех осей кубической
симметрии: трех осей 4-го порядка, шести осей 2-го порядка и четырех осей
3-го порядка, т. е. в узловом элементе сходятся 26 стержней. Они имеют модуль-
ную градацию длин, относящихся как 1 :-\/2/2:д/3/2. Модульная сетка образо-
вана из ромбододекаэдрических ячеек, а модульные многогранники строятся
по правилу соединения ее узлов в направлении ребер, больших и малых диаго-
налей граней и осей симметрии ячеек. Данная система суммирует возможности
всех рассмотренных выше систем. Основная проблема здесь — разработка кон-
струкций узловых соединений.
Седьмая система строится на сочетании осей симметрии гексагональной
сингонии, куда входят одна ось 6-го порядка и три оси 2-го порядка [24]. Между
ними лежат характеристические углы 60; 90° и др. Для снижения числа типораз-
меров и расширения возможностей формообразования предлагается отложить
по осям 6-го и 2-го порядков равные параметры и добавить шесть диагональных
осей, делящих пополам углы между осью 6-го порядка и осями 2-го порядка.
В типовом узле этой системы пересекаются 10 осевых направлений или сходятся
20 стрежней. Стержни имеют модульную градацию длин, кратную д/2. Единич-
ные стержни направлены по осям симметрии 6-го и 2-го порядков, стержни
длиной д/2 направлены по дополнительным осям.
Модульная сетка образована из гексагональных призм, которые относятся
к параллелоэдрам Федорова [24]. Модульные многогранники строятся по пра-
вилу соединения узлов сетки в направлении ребер, диагоналей граней, осей сим-
123
метрик и дополнительно принятых осей. Схемы конструкций образуются компо-
новкой модульных многогранников или соединением узлов модульной сетки.
В данной системе могут быть построены решетчатые стержни, структурные
плиты с квадратными, треугольными и шестиугольными правильными ячейками,
а также сложные пространственные конструкции. Их основным достоинством
является высокая пространственная жесткость, обусловленная наличием
в плоскостных сетках треугольных ячеек.
3.2.7. Формообразование конструкций. По мере расширения знаний о геомет-
рической природе структурных конструкций изменяется подход к вопросам их
формообразования. На смену конструктивным методам приходят теоретически
обоснованные компоновочные и кристаллографические методы.
Конструктивные методы предполагают развитие в пространстве известной
конструктивной формы. Например, плоские фермы можно расположить парал-
лельными рядами в двух или трех пересекающихся направлениях, а места их
пересечения объединить в общие узлы. В результате образуется система пере-
крестных ферм, работающая как пространственная конструкция. В целях типи-
зации элементов фермы должны иметь параллельные пояса и треугольную ре-
шетку с ячейками правильной формы. Эти фермы можно наклонить под равными
углами таким образом, чтобы узлы верхних и нижних поясов сместились друг
относительно друга на половину ячейки. Образуется структурная плита с квад-
ратными или треугольными ячейками, в зависимости от ориентации перекрест-
ных ферм и расстояния между ними [36].
Конструктивные методы доступны, не требуют знания геометрических теорий
и допускают вариации параметров схем — изменение длин стержней и углов
наклона раскосов [22]. Однако такие вариации нарушают правильную струк-
туру конструкции, что ведет к увеличению числа типоразмеров и затрудняет
унификацию элементов. В результате снижается вариабельность схем, собирае-
мых из элементов унифицированного сортамента [37]. Конструктивные методы
не дают возможности разработать систему структурных конструкций в кристал-
лографическом понимании этого термина.
Комбинаторные методы берут начало в теории правильного деления про-
странства [38] и подразумевают построение структурных конструкций в резуль-
тате пространственной компоновки шарнирно-стержневых многогранников.
Структурные плиты с квадратными ячейками можно получить в результате со-
стыковки стержневых тетраэдров и полуоктаэдров, а плиты с треугольными
ячейками — в результате состыковки тетраэдров и октаэдров.
Идея компоновки правильных фигур и заполнения пространства принадле-
жит Платону. С их помощью он пытался объяснить строение материи. Из пра-
вильных треугольников и квадратов Платон строил правильные многогранни-
ки — тетраэдр, октаэдр, куб, икосаэдр, которым приписывал форму элементар-
ных частиц материи. Аристотель впервые рассмотрел проблему заполнения про-
странства без пропусков, используя кубы и тетраэдры.
Проблема непрерывного заполнения пространства многогранными телами
была решена в работах Кеплера, Гаюи и Федорова. Гаюи исследовал компонов-
ку октаэдров и тетраэдров, объясняя строение кристаллической структуры
флюорита [39]. Эта компоновка считалась в кристаллографии основополагаю-
щей [38, с. 19]. На смену ей пришла теория параллелоэдров Федорова, с по-
мощью которой были выведены 230 групп пространственной симметрии. Парал-
лелоэдры — это выпуклые многогранники, целиком заполняющие пространство
при параллельных переносах. Наиболее симметричные из них — куб, ромбодо-
декаэдр, усеченный октаэдр и гексагональная призма [30, 38].
Параллелоэдры можно разделить на равные и симметричные части, называе-
мые стереоэдрами. Они представляют собой наименьшую неделимую часть
дисконтиниума. Стереоэдры окаймлены плоскостями и осями симметрии, кото-
рые совпадают с их гранями и ребрами [24, 30, 38]. Эти многогранники и долж-
124
ны послужить элементарными «кирпичиками» при построении структурных кон-
струкций. Форма стереоэдров зависит от исходного параллелоэдра. Куб, ромбо-
додекаэдр и усеченный октаэдр рассекаются плоскостями симметрии на 48 рав-
ных частей. В первых двух случаях образуются неправильные тетраэдры, а
в последнем случае — пятигранник с неправильными треугольными и четырех-
угольными гранями [24, 30, 38].
Схемы большинства применяемых структурных конструкций получены ком-
поновкой правильных октаэдров и тетраэдров, которые не являются параллело-
эдрами или стереоэдрами. Их комбинации реализуют ограниченные возмож-
ности только одной кристаллографической системы и не обладают вариабель-
ностью. Но каркасы, построенные на основе октаэдро-тетраэдрических компоно-
вок, обладают пространственной жесткостью и предельной типизацией элемен-
тов, что способствовало их распространению.
В системе «Меро» впервые наряду с октаэдрами и тетраэдрами применены
многогранники, полученные от диагональных сечений куба [32]. Но они — не
параллелоэдры и не стереоэдры, что затрудняет переход от компоновочных
к универсальным кристаллографическим методам.
Компоновку модульных многогранников следует подчинить системе кристал-
лографической симметрии. Тогда укладка будет обладать геометрическими
свойствами кристаллической структуры, даже если она не состоит из параллело-
эдров и стереоэдров. Многогранники размешаются в пространстве так, чтобы
их оси симметрии совпали с аналогичными трансляционными осями системы.
Примером служит компоновка кубооктаэдров — многогранников, образо-
ванных взаимным пересечением куба и октаэдра (рис. 3.18). Кубооктаэдры раз-
мещаются на плоскости и состыковываются смежными гранями, ребрами и вер-
шинами. Существуют три типические компоновки кубооктаэдров на плоскости,
которые опираются на нее квадратными и треугольными гранями, либо верши-
нами, и ориентируются перпендикулярно этой плоскости осями симметрии 4-го,
3-го или 2-го порядков. Между кубооктаэдрами остаются пустоты в форме тетра-
эдра, октаэдра и его кратных частей (рис. 3.19).
Компоновки кубооктаэдров на плоскости — это фрагменты одной простран-
ственной укладки, где многогранники сориентированы по направлениям тран
сляционных осей. Кубооктаэдры стыкуются друг с другом квадратными гранями
по направлениям осей 4-го порядка, треугольными гранями — по направлениям
осей 3-го порядка и вершинами — по направлениям осей 2-го порядка. Фрагмен-
ты высекаются из пространственной укладки плоскостями, перпендикулярными
осям симметрии. На этих плоскостях размещаются сетки с квадратными, тре-
угольными и прямоугольными ячейками, образованные системой ребер и вершин
состыкованных многогранников. Плоскостными фрагментами можно считать
и рассмотренные выше структурные плиты (рис. 3.20, 3.21).
Если в качестве формообразующих многогранников приняты стереоэдры, то
их компоновка образует кристаллическую стуктуру, включающую в себя все
комбинации модульных многогранников, возможные в данной системе. В такой
укладке грани стереоэдров лежат на плоскостях симметрии, а ребра — на осях
симметрии системы. Представив систему осей в виде модульной решетки, можно
разбить модульное пространство на элементарные ячейки, каковыми будут сте-
реоэдры. Следовательно, модульные многогранники, вписанные в модульную
сетку, — либо стереоэдры, либо составлены из стереоэдров. Действительно,
в системе структурных конструкций, построенной на сочетании осей 4-го и
3-го порядков, модульный многогранник 1/6 куба составлен из восьми стереоэд-
ров в виде 1/48 куба, а модульный многогранник 1/6 ромбоэдра составлен из
двух стереоэдров 1/48 ромбододекаэдра и т. д. (см. рис. 3.17). Здесь стирается
грань между компоновочными и кристаллографическими методами.
Кристаллографические методы предполагают наличие модульной сетки, ко-
торая определяет закон построения структурных конструкций. Возможны
125
Рис. 3.18. Кубооктаэдр и его рассечение на
полуоктаэдры и тетраэдры плоскостями, пер-
пендикулярными осям симметрии 3-го порядка
Рис. 3.20. Структурные схемы с квадратными
ячейками, скомпонованные из кубооктаэдров
а —структурная плита; б - пространствен-
ная ферма, ориентированная по оси симметрии
4-го порядка; в — то же, 2-го порядка
Рис. 3.19. Три параллельные укладки ку-
бооктаэдров на плоскости, ориентированные
относительно осей симметрии
а — 4-го порядка; б — 3-го порядка; в — 2-го
порядка
Рис. 3.21. Схемы структурных плит с тре-
угольными или шестиугольными (а) и прямо-
угольными (б) ячейками, скомпонованные из
кубооктаэдров
126
разные способы построения. Согласно одному из них, в модульную сетку сначала
вписываются модульные многогранники, из которых впоследствии компонуется
схема структурной конструкции. Типы модульных сеток, правила вписывания
в них модульных многогранников и построения структурных конструкций при-
ведены выше (см. рис. 3.14—3.17.) [28—29].
Другим способом является построение пространственных каркасов методом
состыковки линейных или плоскостных структурных конструкций. Линейные
конструкции (решетчатые стержни) ориентируются в пространстве по направле-
ниям соответствующих осей модульной сетки. Тогда состыковка решетчатых
стержней может выполняться на основе элементов унифицированного сортамен-
та. Структурные плиты ориентируются перпендикулярно соответствующим
осям симметрии. Они будут состыковываться без применения нестандартных
стержней и узлов. Двугранные углы между структурными плитами дополняют
до 180° углы между соответствующими осями симметрии (табл. 3.4).
Таблица 3.4. Правила пространственной состыковки структурных плит
Углы между осями симметрии (над чертой)
и структурными плитами (под чертой)
Форма поясных ячеек,
соответствующих осям симметрии
4-го, 3-го и 2-го порядков
Квадратные
50°447125°16'
125°16754°44/
457135°
90790°
135745°
Треугольные и шести- угольные 3 54°447125°16/ 125°16754°44' 70°327Ю9°28' 109°28770°32' 35°16'/144°44' 90°/90° 144°44735°16'
Прямоугольные 2 45°/135° 90°/90° 135°/45° 35°16'/144°44' 90°/90° 144°44'/35о16/ 607120° 90°/90° 120760°
Линии пересечения структурных плит проходят через цепочки узлов и совпа-
дают с направлениями модульной сетки. Если эти направления реализованы
в конструкции, то пересечение пройдет по линии стержней. В противном случае
стык будет представлен ломаной линией. Плиты с квадратными ячейками пере-
секаются по осям 4-го и 2-го порядков, с правильными треугольными ячейками—
по осям 2-го порядка, с прямоугольными и неправильными треугольными ячей-
ками — по осям 4-го и 3-го порядков.
По оси 4-го порядка могут одновременно пересекаться две плиты с квадрат-
ными, две плиты с прямоугольными и две плиты с неправильными треугольными
ячейками; по оси 3-го порядка — две плиты с неправильными треугольными
ячейками; по оси 2-го порядка — две плиты с правильными треугольными или
шестиугольными ячейками и одна плита с квадратными ячейками.
В одном узле могут пересекаться 13 структурных плит — по числу осей сим-
метрии кубической системы. Вблизи этого узла они сольются в сплошную
решетчатую ткань, реализующую большинство направлений системы. При
удалении от него плиты приобретают индивидуальный рисунок.
127
Согласно третьему способу, структурные конструкции высекаются из модуль-
ной решетчатой ткани наподобие скульптуры. Тогда отпадает необходимость
в предварительных построениях модульных многогранников, решетчатых стерж-
ней, структурных плит и их состыковки. Конструкции высекаются плоскостями,
которые перпендикулярны осям симметрии системы и имеют плоские грани
с характерными сетками стержней и узлов. Возможны каркасы с ломаным огра-
нением, соизмеримым с размерами ячеек модульной сетки. В пределах высечен-
ной формы можно варьировать насыщением стержней и узлов: усиливать наи-
более загруженные зоны и разрежать малозагруженные. В результате дости-
гается перераспределение усилий, снижаются их максимальные значения и об-
легчается унификация стержней и узлов.
Кристаллы отличаются красотою и многообразием форм, что связано с их
правильным внутренним строением. Кристаллические формы можно применить
в строительстве, поскольку структурные конструкции реализуют те же законы
и принципы. Наибольший интерес представляют простые и комбинированные
формы кубической сингонии — выпуклые многогранники с равными, зеркально
симметричными гранями и их комбинации, образованные взаимным пересече-
нием [24].
Среди простых и комбинированных форм имеются многогранники с особой
ориентацией граней, расположенных перпендикулярно их осям симметрии. Если
кристаллический многогранник представить в виде решетчатого тела, то на его
гранях расположатся правильные и регулярные плоскостные сетки. Форма их
ячеек соответствует порядку осей симметрии.
Грани куба перпендикулярны осям 4-го порядка, и на них расположены
сетки с квадратными ячейками. Стороны ориентированы параллельно ребрам
куба или развернуты к ним на угол 45°. Грани октаэдра и тетраэдра перпенди-
кулярны осям 3-го порядка, и на их поверхностях лежат сетки с правильными
треугольными или шестиугольными ячейками. Грани ромбододекаэдра перпен-
дикулярны осям 2-го порядка, и на его поверхности лежат сетки с прямоуголь-
ными или неправильными треугольными ячейками (рис. 3.22).
Комбинированные многогранники построены из простых форм по единым
симметрийным законам, и их структура также выходит на поверхность в виде
соответствующих плоскостных сеток. Например, у ромбокубододекаэдра,
образованного взаимным пересечением ромбододекаэдра, куба и октаэдра, на
поверхности располагаются сетки с прямоугольными, квадратными и треуголь-
ными ячейками (см. рис. 3.22).
Кристаллические формы, с нанесенными на поверхность регулярными сетка-
ми, могут служить основой для построения сложных структурных каркасов. С их
помощью можно решить две задачи: выбрать наилучшую архитектурно-конст-
руктивную форму сооружения и обеспечить пространственную состыковку
структурных плит. Вариации комбинированных форм представляют большой
выбор. Очертания здания или сооружения можно «увидеть» в кристаллическом
многограннике, а затем реализовать в структурном каркасе. Такой каркас будет
эффективно воспринимать внешние нагрузки, поскольку повторяет равновесную
форму, образованную при соблюдении принципа минимальной внутренней
энергии.
Среди простых форм с ориентацией граней, перпендикулярной одноименным
осям симметрии, наиболее многогранное тело — ромбододекаэдр. Его двенад-
цать граней перпендикулярны шести осям симметрии 2-го порядка. Этих осей
в кубической системе больше, чем осей 4-го или 3-го порядков. Форма ромбодо-
декаэдра порождает серию стержневых оболочек в виде многогранных куполов
(см. рис. 3.22).
Половина ромбододекаэдра, составленная из четрыех наклонных граней,
сходящихся в вершине, и четырех вертикальных полуграней образует восьми-
гранную форму покрытия, которое может быть построено из состыкованных
128
Рис. 3.22. Кристаллические многогранники
с модульными сетками на гранях
а — куб; б — октаэдр; в — ромбододекаэдр;
г — усеченный октаэдр; д — ромбокубоок-
таэдр; е — ромбоусеченный кубооктаэдр
Рис. 3.2'1. Куполообразные пологие формы на
основе трех граней ромбододекаэдра, усечен-
ных тремя гранями куба (а), четырьмя гра-
нями октаэдра (б), тремя гранями куба и
четырьмя гранями октаэдра (в)
Рис. 3.23. Шатровые и куполообразные формы на основе четырех граней ромбододекаэдра, усе-
ченных по октаэдру и кубу
а — половина ромбододекаэдра; б - половина ромбододекаэдра, усеченная октаэдром; в - то же,
усеченная кубом; г — то же, усеченная октаэдром и одной гранью куба; д — то же, усеченная ок-
таэдром и пятью гранями куба; е — то же, усеченная октаэдром и пятью гранями куба с заполнением
проемов
129
структурных плит с прямоугольными ячейками. Четыре грани ромбододекаэдра,
усеченного по октаэдру, и четыре грани октаэдра образуют восьмигранную фор-
му покрытия. Оно может быть построено из структурных плит с прямоугольными
и треугольными ячейками. Четыре грани ромбододекаэдра, усеченного по кубу,
и одна кубическая грань образуют шатровую форму покрытия, которое может
быть построено из структурных плит с прямоугольными и квадратными ячейками
(рис. 3.23, а-в).
Более сложные комбинированные усечения четырех граней ромбододекаэдра
октаэдром и кубом образуют девяти-, тринадцати- и семнадцатигранные купо-
лообразные формы покрытий. Они строятся в виде каркасов из состыкованных
структурных плит с прямоугольными, треугольными и квадратными ячейками
(рис. 3.23, г-е).
На базе трех сходящихся в вершине граней ромбододекаэдра строится серия
пологих оболочек. Эти грани наклонены к горизонту под углом 35° 16'. Их усече-
ние по кубу и октаэдру ведет к образованию шести-, семи- и десятигранных
покрытий. Они строятся из структурных плит с прямоугольными, квадратными
треугольными ячейками (рис. 3.24).
Примером служит конструкция семигранного пологого структурного купола,
построенного на базе трех граней ромбододекаэдра, усеченных одной гранью
октаэдра и тремя гранями куба. Купол опирается на шесть железобетонных
опор, расположенных в плане в вершинах правильного шестиугольника. Опоры
воспринимают распор и вертикальные реакции. Купол образован тремя наклон-
ными структурными плитами с квадратными ячейками, горизонтальной плитой
с треугольными ячейками и тремя наклонными плитами с квадратными ячейка-
ми. Стыковка плит с прямоугольными и квадратными ячейками ‘ступенчатая,
плит с треугольными и прямоугольными ячейками — по прямым линиям
(рис. 3.25).
Принятая форма выгодна по условиям восприятия нагрузок. Она аэродина-
мична, снеговые нагрузки с покрытия частично сбрасываются. Эта форма эф-
фективна по условиям статической работы. В распорной структурной конструк-
ции происходит перераспределение усилий по сравнению с плоской структурной
плитой. Снижаются максимальные усилия в стержнях и загружаются мало-
загруженные элементы. Расход материала в структурном куполе в 1,5—2 раза
меньше, чем в структурной плите того же пролета. При этом структурный купол
собирается из элементов унифицированного сортамента, включающего типовые
узлы и стержни только двух модульных длин, чем выгодно отличается от геоде-
зических куполов, собираемых из большого числа типоразмеров элементов.
Согласно выполненным расчетам, структурный купол, перекрывающий площадь
1600 м2 и собранный из стержней 1,5 и 2,12 м, расходует около 15 кг/м2 металла
(см. рис. 3.25).
Подобная конструкция, уменьшенная в масштабе, может послужить карка-
сом гелиостата. Она обладает высокой жесткостью и малым расходом материа-
ла по сравнению со структурными плитами и рациональна при площадях прием-
ной поверхности гелиостата 150—300 м2, причем увеличение площади гелиоста-
та сокращает расходы на механизмы слежения (рис. 3.26).
3.2.8. Узловые соединения. Решение проблемы узловых соединений ослож-
няется пространственным расположением стержней и требованием надежной
передачи растягивающих и сжимающих усилий. Среди известных конструкций
следует выделить «Меро» (МАрхИ) и «Юнистрат». Узловое соединение «Меро»
(МАрхИ) воспринимает значительные усилия. Растяжение передается через
осевые болты, а сжатие через контактные поверхности. Узловой элемент пред-
ставлен в виде литого многогранника или усеченной сферы с гранями, перпенди-
кулярными осям стержней. По центру граней выполнены резьбовые отверстия,
сходящиеся в центре узла.
Стержни трубчатого сечения снабжены наконечниками в составе спецболта,
130
Рис. 3.25. Многогранный структурный купол
системы «Октант»
Рис. 3.27. Узловые соединения структурных
конструкций систем
а — «Меро» (МАрхИ); 1 — болт; 2—вкла-
дыш; 3 — штифт; 4 — узел; 5 — втулка, 6 —
стержень; б — «Юнистрат»; 1 — узловая фа-
сонка; 2 — стержень; 3 — болт с гайкой и
контргайкой
Рис. 3.26. Каркас гелиостата системы «Ок-
тант»
Рис. 3.28. Узловые элементы структурных
конструкций различных систем
а — куб; б—ромбододекаэдр; в — октаэдр;
г — кубооктаэдр; д — ромбокубооктаэдр;е —
ромбоусеченный октаэдр; ж — ромбоусечен-
ный кубооктаэдр; з — ромбоусеченный куб;
и усеченный октаэдр
131
втулки, вкладыша и штифта. Спецболт пропущен через отверстие во вкладыше.
На него надета шестигранная втулка, которая скреплена поводковым штифтом,
поставленным в просверленное отверстие. Головка болта спрятана внутри труб-
чатого стержня. Вращением втулки, которое передается через штифт, болт ввин-
чивается в резьбовое отверстие узлового элемента. При этом применяются рож-
ковые ключи, что не позволяет механизировать процесс сборки (рис. 3.27)
[22, 31, 32].
Втулка, штифт и отверстие в болтах нужны только для сборки, в процессе же
работы конструкции они лишние. Наличие втулки увеличивает число контактных
поверхностей, что способствует податливости соединения. Отверстие под штифт
ослабляет рабочее сечение болта и служит концентратором напряжений. Бол-
ты — наиболее слабое место в этих конструкциях, в предельном состоянии они
разрушаются первыми. Узловой элемент обладает излишним запасом прочно-
сти, его размеры принимаются по минимальной глубине резьбовых отверстий,
а не по условиям работы на растяжение или сжатие (см. рис. 3.27, а).
Узловое соединение «Юнистрат» не воспринимает больших усилий. По срав-
нению с узлом «Меро» оно конструктивно проще, технологичнее, состоит из
меньшего числа деталей и допускает применение метизных болтов. Узловой
элемент «Юнистрат» выполнен в виде фигурной фасонки, штампованной из
листового металла. Стержни из открытых профилей соединяются внахлестку
и скрепляются болтами, работающими на срез. Возможности узлового элемента
ограничиваются единственной типологической схемой. Достоинством соедине-
ния является малая трудоемкость изготовления и сборки (рис. 3.27,6).
Необходимо решить две задачи: найти наиболее рациональную форму узла
и представить ее в виде простых технологичных деталей. Форма узла увязывает-
ся с системой пространственных направлений, по которым ориентируются
стержни. Каждому комплекту осей соответствует многогранник с гранями, рав-
ноудаленными от центра и перпендикулярными осям симметрии. Равноудален-
ность граней способствует унификации стержней, перпендикулярность — нор-
мальной передаче усилий через контактные поверхности.
В конструкциях «Меро» узловой элемент представлен полнотелым ромбо-
кубооктаэдром или сферой, усеченной его гранями. Квадратные грани перпенди-
кулярны осям 2-го и 4-го порядков, а треугольные — осям 3-го порядка. Однако
оси 3-го порядка в этой системе не используются. В конструкциях с ортогональ-
ным расположением стержней применяются элементы в форме куба [32]. Если
реализуются все оси кубической симметрии, то узловой элемент имеет вид ром-
боусеченного кубооктаэдра [22].
Для других сочетаний осей предлагаются следующие многогранники: для
осей 2-го порядка — ромбододекаэдр, для осей 3-го порядка — октаэдр, для
осей 4-го и 3-го порядков — усеченный октаэдр, для осей 3-го и 2-го порядков —
ромбоусеченный октаэдр. Для осей 2-го и 4-го порядка более подходит не ром-
бокубооктаэдр, как в конструкции «Меро», а ромбоусеченный куб. В нем отсут-
ствуют грани, перпендикулярные осям 3-го порядка и не используемые в кон-
струкциях (рис. 3.28). Разбивка узлового элемента на стандартные технологич-
ные детали выполняется с привлечением идей кристаллографии. Кристаллы
бывают полнотелые и пустотелые, и кроме многогранных форм, они принимают
реберные и вершинные формы. Каждому сочетанию осей соответствуют много-
гранные, реберные и вершинные формы. Совокупность граней, ребер и вершин
связана элементами симметрии [39].
Узловые элементы целесообразнее принимать пустотелыми, что позволяет
применять осевые болты и собирать узел из стандартных штампованных фасо-
нок. Болты ставят со стороны узла и ввинчивают в наконечники трубчатых
стержней. Для доступа во внутреннюю полость в узловом элементе оставляют
проемы, что позволяет применять накидные ключи с шарниром, пневмо- или
электрогайковерты и механизировать процесс сборки.
132
В системе «Октант», реализующей оси симметрии 2-го и 4-го порядков, узло-
вой элемент составлен из симметрично расположенных штампованных фасонок,
скрепленных на сварке. Их плоские поверхности перпендикулярны осям 2-го и
4-го порядков и предназначены для контакта со стержнями. Фасонки снабже-
ны отверстиями для пропуска болтов. Между фасонками оставлены проемы,
через которые болты вводятся во внутреннюю полость узла, после чего ввинчи-
ваются в резьбовые отверстия наконечников стержней (рис. 3.30) [35].
Данное решение имеет преимущества. При изготовлении узлов «Меро»
(МАрхИ) большая часть трудозатрат приходилась на металлорежущие опера-
ции — фрезерование граней, сверление отверстий, изготовление резьб. В техно-
логии «Октант» такие операции отсутствуют. Применение штамповки-сварки
или литья снижает трудозатраты в несколько раз. В конструкции «Октант»
упрощаются наконечники трубчатых стержней: исключаются втулка и штифт,
а специальный болт заменяется на дешевый метизный болт. Наконечник пред-
ставлен единственной деталью — конусным вкладышем с резьбовым отверстием
(см. рис. 3.30).
Перенос резьбовых отверстий из узлового элемента в наконечник стержня
целесообразен по нескольким соображениям. Во-первых, в конструкции рабо-
тают все резьбовые соединения. Их резервирование невыгодно, так как нареза-
ние резьб — наиболее трудоемкий процесс, во-вторых, можно полностью избе-
жать металлорежущих операций при изготовлении узла, а наконечники стерж-
ней изготовлять подобно гайкам. Отсутствие втулок сокращает число контакт-
ных поверхностей и уменьшает податливость соединений. Отсутствие же отвер-
стий в болтах увеличивает их несущую способность и позволяет применять
метизы (см. рис. 3.27 и 3.30).
3.2.9. Оптимизация сортамента стержней. Типизация узловых элементов
и длин стержней осуществляется по законам структурной симметрии. Труднее
поддаются типизации сечения стержней, их подбирают по расчетным усилиям.
Для унификации стержней устанавливается градация сечений. Поиск оптималь-
ной градации осложняется многократной статической неопределимостью струк-
турных конструкций. Перебор вариантов связан с варьированием жесткостей
и перераспределением усилий в системе, что требует повторных расчетов.
Проблема оптимизации сортамента стержней решается с учетом статистиче-
ского распределения усилий. В любой структурной конструкции усилия изме-
няются от нуля до максимума. Установлено, что распределение усилий подчи-
няется статистическим законам, которые могут быть представлены в табличной
графической и аналитической форме. Они описываются гистограммами, диффе-
ренциальными и интегральными кривыми. Для дальнейшего анализа наиболее
удобны интегральные кривые, которые строятся в интервале от максимального
сжимающего до максимального растягивающего усилий, возникающих в конст-
рукциях при заданных условиях опирания и загружения. По оси абсцисс откла-
дываются величины усилий, по оси ординат — накопленная частость (см.
рис. 3.29) [33, 34].
Законы статистического распределения усилий стабильны и мало зависят от
варьирования жесткостей стержней в конструкции. Интегральные кривые с до-
статочной точностью аппроксимируются аналитическими функциями на отрез-
ках сжатия и растяжения. При наложении нескольких кривых на один график
образуется плотный пучок линий (см. рис. 3.29) [33, 34].
Статистические характеристики распределения усилий могут являться объ-
ективными критериями эффективности вариантов конструкций и могут учиты-
ваться на начальных этапах проектирования. Среднее арифметическое усилий
растяжения и сжатия и их среднее квадратическое отклонение характеризуют
напряженное состояние конструкции. Положительный эксцесс, свойственный
структурным конструкциям, говорит о преобладании недозагруженных элемен-
тов. Асимметрия, характерная для распорных конструкций, показывает пре-
133
вышение суммарного усилия сжатия над суммарным усилием растяжения и т. д.
[33, 34].
Площадь между интегральной кривой и осями координат соответствует сум-
ме внутренних усилий и эквивалентна минимальному расходу материала при
подборе сечений каждого стержня по расчетным усилиям. На практике ограни-
чивают сортамент стержней с более крупной градацией сечений. Тогда расход
материала эквивалентен площади между ступенчатым графиком, построенным
на интегральной кривой, и осями координат. Абсциссы ступеней соответствуют
несущей способности принятых стержней, а ординаты — накопленной частости
их повторения в конструкции.
Математически задача оптимизации сортамента сводится к построению сту-
пенчатого графика на интегральной кривой и нахождению оптимального распо-
ложения заданного числа точек, при котором площадь между ступенчатым гра-
фиком и осями координат была бы минимальной. Площадь между ступенчатым
графиком и интегральной кривой эквивалентна дополнительному расходу ма-
териала, связанному с унификацией элементов (см. рис. 3.29) [33, 34].
Задача оптимизации элементов может быть решена графически, аналитиче-
ски и в численном виде. Интегральное распределение усилий аппроксимируется
линейной, степенной, логарифмической, экспоненциальной функциями. Ближе
всего экспоненциальные функции вида:
y = e-bx+c (3.63)
Целевая функция минимальной массы записывается как наименьшая площадь
под ступенчатым графиком, построенным на интегральной кривой:
Z=.|/^z " Л'+1^;+1=>п11п- <3-64)
Задача решается в частных производных после подстановки у из (3.63) в (3.64),
что приводит к системе уравнений трансцендентного вида:
(xi-\ + 1/6 - xj) be~bx i — e~bxi+l_. g (3.65)
В уравнениях (3.63), (3.64) и (3.65): л; — расчетные усилия; у, — накоплен-
ный итог частот; b и с — эмпирические коэффициенты, имеющие значения
6=0,1—0,4, с«4.
Решение системы уравнений (3.65) приводит к оптимальной градации расчет-
ных усилий, по которой комплектуется соответствующий сортамент элементов.
Повторный расчет конструкции производится с учетом корректировки жестко-
стей. Итерационный процесс быстро сходится. Корректировка жесткостей закан-
чивается на втором-третьем цикле [33, 34].
Разработанная методика ориентирована на применение ЭВМ. Составлен
алгоритм и программы решения задачи, которые включают в себя следующую
совокупность действий и операций:
1. Статистическая обработка величин расчетных усилий;
2. Построение функции интегрального распределения усилий;
3. Аппроксимация интегрального распределения аналитической функцией;
4. Построение по интегральной кривой ступенчатого графика при фиксиро-
ванном числе градаций =2, 3, 4, ..., п;
5. Корректировка ступенчатой функции с учетом работы сжатых стержней
на продольный изгиб и ограничения минимальных сечений предельной гиб-
костью стержней;
6. Составление целевой функции минимальной массы;
7. Решение системы уравнений и нахождение оптимальной градации несу-
щей способности стержней при z=2, 3, 4, ..., /г;
8. Подбор сечений с максимальным приближением к теоретически оптималь-
ной несущей способности стержней /=2, 3, 4, ..., /г;
134
9. Сравнение массы конструкции при разном числе типоразмеров и нахожде-
ние оптимального числа градаций стержней.
Более объективным критерием для выбора оптимального числа типоразмеров
служит не масса конструкции, а приведенные затраты. Они учитывают стои-
мость материала, изготовления, монтажа и эксплуатации. Но эти параметры на-
ходятся в сложной зависимости, и выражение их в аналитической форме затруд-
нительно. Поэтому на практике оптимальное число типоразмеров стержней при-
нимается на основе сравнения дополнительных затрат при увеличении града-
ций и экономии от снижения материалоемкости.
3.2.10. Каркасы солнечных электростанций и солнцезащитных сооружений.
Кристаллические решетки способны воссоздать практически любую пространст-
венную форму.
В гелиоэнергетике форма сооружения не менее важна, чем в архитектуре, су-
щественно влияя на эффективность сбора солнечной энергии, но оптимизация
формы выливается в решение многопараметрической задачи, в которой должны
учитываться широта местности, габаритные ограничения, траектория движения
солнца, наличие или отсутствие систем слежения и многое другое. Кристалло-
графический подход позволяет решить эту проблему.
Устройства систем слежения и концентрации солнечной энергии повышают
эффективность ее улавливания, но снижают надежность и требуют больших
эксплуатационных затрат. По мере удешевления фотопреобразователей необхо-
димость в концентраторах и системах слежения будет отпадать. Исключение
составят установки, где концентрация энергии задана условиями технологиче-
ского процесса.
Исследованы конструктивные схемы каркасов в виде неподвижных опор
СЭС, несущих конструкций СЭС, оборудованных системами слежения и гелио-
сооружений, совмещающих функции улавливания энергии и солнцезащиты. Во
всех этих каркасах применены структурные конструкции «Октант».
Неподвижные опоры СЭС представляют собой каркас, на котором закрепле-
ны блоки фотопреобразователей на определенной высоте и под определенным
углом. Конструкцию опор можно условно разбить на три части: приемную по-
верхность, где размещены блоки фотогенераторов; промежуточный каркас, вос-
принимающий и передающий нагрузки, и нижнюю часть, непосредственно при-
мыкающую к фундаменту.
Приемная поверхность образована системой стержней и узлов, лежащих
в одной плоскости. Блоки ФП крепятся к узлам каркаса. Регулярное располо-
жение узлов облегчает типизацию блоков. Как правило, применяется членение
приемной поверхности на квадратные или прямоугольные ячейки, что соответ-
ствует традиционным компоновочным схемам, хотя с позиций статики ее было
выгоднее членить на треугольные ячейки в сочетании с гексагональной компо-
новкой блоков.
Приемная поверхность опоры СЭС «улавливает» не только солнечную энер-
гию, но и большую часть приложенных к ней расчетных нагрузок. На узлы при-
емной поверхности передаются нагрузки от технологического оборудования, сне-
говые (снег может скапливаться только на блоках ФП) и ветровые. Нагрузки от
собственного веса составляют малую долю.
Все нагрузки, приложенные к каркасу, должны быть переданы на фундамен-
ты. Чем короче траектория передачи внутренних усилий, тем меньше материало-
емкость каркасной конструкции. Наименьший расход материала будет в карка-
сах, где все элементы работают на растяжение-сжатие и полностью исключается
поперечный изгиб. Расположение стержней каркаса должно совпадать с направ-
лениями главных напряжений сжатия и растяжения. Схема оптимальной кон-
струкции как бы повторяет диаграмму внутренних усилий. Для оптимизации
схемы каркаса необходимо задать величину и место приложения нагрузок, опор-
ные реакции и построить пространственную структуру, соединяющую по крат-
135
чайшим направлениям место приложения нагрузок с фундаментом, с учетом по-
тенциально возможных направлений в системе.
Каркас удобно опирать на три узловые точки, которых достаточно по усло-
виям устойчивости. При этом отпадает необходимость в нивелировке фундамен-
тов. Расстояние между опорными точками назначается с учетом габаритов кон-
струкции. Целесообразно, чтобы оно было не меньше половины высоты и полови-
ны ширины каркаса.
Расстояние от земли до низа и до верха приемной поверхности назначается
с учетом условий эксплуатации. Как показывает практика, достаточно поднять
блоки ФП на 1 м над поверхностью земли, чтобы предохранить от снегозаноса
и случайных повреждений. Расстояние до верха принимается в пределах 6—9 м.
Наклон приемной поверхности соответствует широте местности. Диапазон от
30° до 60° может перекрываться тремя градациями с углами наклона 35, 45, 55°
и корректировкой углов наклона на ±5°за счет устройства разновысоких фун-
даментов. Перечень углов удачно согласуется с геометрическими константами
кристаллографической системы. Так углы 35°16', 45° и 54°44' являются характе-
ристическими углами кубической сингонии и лежат между ближайшими осями
симметрии 2-го, 3-го и 4-го порядков, а также между плоскостными сетками
с прямоугольными и треугольными ячейками, прямоугольными и квадратными
ячейками, квадратными и треугольными ячейками (см. табл. 3.4). Прямоуголь-
ные или квадратные ячейки размещаются на приемной поверхности. Треуголь-
ные ячейки располагаются горизонтально, образуя опорную часть и горизон-
тальные слои, на которые членится конструктивная схема.
При построении структурной схемы применяется один из описанных выше
методов: компоновка шарнирно-стержневых многогранников, вписанных в мо-
дульную сетку; состыковка отдельных блоков и фрагментов в единое целое; вы-
сечение схемы целиком из модульной ткани плоскостями, перпендикулярными
осям симметрии. Выбор конкретного метода зависит от размеров и сложности
проектируемой конструкции.
При небольших размерах схему строят горизонтальными слоями из мо-
дульных многогранников. Тогда ее основой служит многогранник с квадратной
или прямоугольной гранью, например полуоктаэдр, кубодиагональсегмент или
полукубодиагональсегмент (см. рис. 3.14). Он опирается на треугольную грань,
а квадратная или прямоугольная грани располагаются наклонно к горизонту
под углом 55, 45 или 35°. Группа таких многогранников, состыкованных ребра-
ми, образует приемную поверхность. Схема строится по направлению от прием-
ной поверхности к фундаментам. Модульные многогранники присоединяются
друг к другу смежными гранями с промежуточным контролем геометрической
неизменяемости схемы. Для большей жесткости схемы лучше применять геомет-
рически неизменяемые модульные многогранники с треугольными гранями.
Если конструкция сложная, то ее можно строить фрагментами. Сначала об-
разуется часть конструкции, примыкающая к приемной поверхности, затем фор-
мируется приопорная часть, в последнюю очередь — промежуточный каркас.
Фрагменты состыковываются в модульной сетке, привязанной к системе земных
координат. Тем самым фиксируются углы наклона приемной поверхности
и ориентация опоры по странам света.
Скульптурный метод — высечение схемы из модульной сетки — требует от
проектировщика развитого пространственного воображения и знаний законов
геометрической кристаллографии. При этом необходимо учитывать множество
факторов, относящихся к теории конструкций и гелиоэнергетике. Процесс фор-
мообразования носит творческий характер, и решения, отвечающие не только
техническим, но и эстетическим задачам, могут быть получены с учетом фун-
кциональных требований, характера статической работы, образности и компози-
ционной целостности сооружения.
Скульптурным методом можно получить большие и малые, сложные и про-
136
Рис. 3.29. Оптимизация сортамента стержней структурных конструкций с учетом законов статисти-
ческого распределения усилий
а — гистограмма; б — дифференциальная кривая; в - интегральные кривые; г - замена интег-
ральной кривой ступенчатым графиком и нахождение оптимальной градации сечений
стые формы каркасов. Процесс формообразования идет в несколько этапов. Сна-
чала модульная сетка ориентируется в пространстве с учетом наклона приемной
поверхности к горизонту, которая совмещается с одной из плоскостных сеток.
Затем отсекаются грани приемной поверхности и фундаментная часть. Опора
как бы высекается вчерне, а потом детализируется. Более тщательно прорабаты-
вается ее промежуточная часть и вся структурная решетка. Внешняя форма
и внутреннее строение опоры приводятся в соответствие с эпюрой главных на-
пряжений.
Геометрическую форму опорной конструкции СЭС можно представить образ-
но — в виде объема, заполненного потоком сфокусированных лучей. Начало это-
го потока — приемная поверхность, где размещаются блоки фотопреобразова-
телей; фокус пересечения лучей — это средняя, зауженная часть, конец пото-
ка — фундаменты.
Образ пучка лучей, преобразованного в фокусе, подобен конструкции из
пересекающихся стержней, скрепленных посередине, которая вполне может слу-
137
Рис. 3.30. Узловое соединение системы «Ок-
тант» [35)
1— узел; 2 — стержень; 3 — болт; 4— пру-
жинная шайба; 5 — наконечник стержня; 6
штамповании я <|>.к->>п к;>
Рис. 3.31. Опорные конструкции солнечных
фотоэлектрических станций с углами наклона
приемной поверхности к горизонту
а — 54“ 44'; б — 45е; в — 35° 16'
Рис. 3.32. Опорные конструкции солнечных
фотоэлектрических станций, построенные
в системе поворотной модульной сетки
Рис. 3.33. Теоретически возможные углы на-
клона приемной поверхности СЭС к горизонту
для схемы с характеристическим углом 54“44'
Координаты У—Z 1 -5 1—4 1—3 2-5 1—2 2-3 2—3 3—4 4—5
Угол а между Z и У—Z 8°56' 11с25' 15°48' 19°28' 25°14' 31°13' 35е16' 40°19' 43° 19'
Координаты У—Z 1 — 1 6—5 5—5 4—3 7—5 3-2 5—3 7- 4 2—1
Угол а между Z и У—Z 54°44' 64°46' 67°0Г 70°32' 73°08' 76°44' 81°57' 84°14' 90°
138
Рис 3.34. Солнечная фотоэлектрическая
станция с углом наклона приемной поверх-
ности к горизонту 45'
Рис. 3.35. Солнечные фотоэлектрические стан-
ции с широтной системой слежения
1 — неподвижные опоры, 2—поворотный
блок; 3 — поворотные модули
Рис 3.36. Солнечная фотоэлектрическая станция с полярной системой слежения
1 — неподвижные опоры; 2 — поворотный блок; 3 — поворотные модули
139
жить опорой СЭС. Эту схему можно увеличить в размерах, усложнить и преоб-
разовать в структурную конструкцию. Форму такого каркаса можно получить
в результате взаимного пересечения двух пирамид, обращенных вершинами
навстречу одна к другой. Из них одна пирамида имеет основанием приемную по-
верхность СЭС, а другая — план фундаментов.
Опорная конструкция расширяется к верху и к низу, сужаясь посередине.
Каркас, помещенный внутри такой формы, работает эффективно, поскольку на-
правления стержней в основном совпадают с линиями главных напряжений. За-
кономерным результатом будет малый расход материала.
Изложенные методики апробированы при разработке неподвижных опор
СЭС. Запроектированы три серии конструкций, соответствующие углам наклона
приемной поверхности к горизонту 35°16', 45° и 54°44'. Эти конструкции условно
названы «тропическими», «среднеширотными, «полярными» и предназначены
для эксплуатации в разных географических широтах. В каждой серии запроек-
тированы варианты с различной площадью приемной поверхности и мощностью
от 0,3 до 2,0 кВт (рис. 3.31).
Диапазон опорных каркасов СЭС можно расширить, применив метод формо-
образования структурных конструкций в системе поворотной модульной сетки.
Суть его заключается в построении определяющей части конструкции в модуль-
ной сетке, поворот ее на определенные углы и завершении построения в новых
угловых положениях. Например, в пространственной модульной сетке выбирают
плоскую сетку с квадратными или прямоугольными ячейками и ориентируют ее
вертикально. В этой плоскости строят приемную поверхность, а затем прилегаю-
щую к ней часть структурной конструкции. Такой блок служит основой для серии
опорных конструкций, в которых меняется только фундаментная часть.
Модульная сетка вместе со структурным блоком поворачивается вокруг го-
ризонтальной оси, проходящей параллельно нижнему краю приемной поверх-
ности. При этом меняется угол наклона приемной поверхности к горизонту и
узлы модульной сетки поочередно пересекают горизонтальную плоскость. Систе-
ма фиксируется в разных угловых положениях, в которых существует группа
узлов, лежащих в горизонтальной плоскости. Часть этих узлов принимается
за опорные точки. Структурная ткань достраивается по направлению от струк-
турного блока к фундаменту (рис. 3.32).
Задача решается в два этапа: сначала в двухмерной проекции, а затем в про-
странстве. Трехмерная модульная сетка ориентируется в пространстве и про-
ецируется на вертикальную плоскость. На проекции строится структурный блок.
На продолжении линий, в которую спроецирована приемная поверхность, при-
нимается центр поворота модульной сетки. Через центр и близлежащие узлы
проводятся секущие линии (рис. 3.32).
В исходном положении приемная поверхность каркаса СЭС ориентируется
вертикально. За поверхность земли принимается вначале секущая, проведенная
под прямым углом, а затем другие секущие линии. Соответственно меняется угол
наклона приемной поверхности к горизонту. Узловые точки, оказавшиеся на од-
ной секущей линии, принимаются в качестве опорных. На этой базе достраивает-
ся каркас. В результате образуются три серии конструкций со стандартными
структурными блоками и варьирующей опорной частью, соответствующие трем
характеристическим углам 55, 45 и 35°. Эти серии отличаются плавной града-
цией углов наклона к горизонту приемной поверхности каркаса СЭС (см. рис.
3.32 и 3.33).
Неподвижные опорные конструкции СЭС получили практическое примене-
ние. Они освоены производством на предприятиях НПО «Квант» и возведены
в южных районах СССР (см. рис. 3.12, 3.34).
Несущие конструкции СЭС со слежением за солнцем должны сочетать устой-
чивость к ветровым нагрузкам с кинематической подвижностью систем слеже-
ния. Применение хрупких концентраторов в виде жидкостных линз и стеклян-
140
Рис. 3.37. Ромбические модули с концентра-
торами в виде фоконов, жидкостных линз
и зеркальных отражателей
Рис. 3.40. Фрагмент солнцезащитного по-
крытия
Рис. 3.38. Гексагональный модуль с концент-
раторами в виде жидкостных линз и зеркаль-
ных отражателей
Рис. 3.41. Разрезы солнцезащитного покрытия
Рис 3.39 Солнцезащитное покрытие над детской площадкой
141
Рис. 3 43 Солнцезащитное покрытие над чай.
ханой
Рис 3 44. Структурный каркас солнцезащит-
ного покрытия
142
Рис. 3.45. Эскизный проект солнцезащитного покрытия над чайханой
1 — блоки фотоэлектрических генераторов; 2 — чайхана; 3 — бассейн; 4 — буфет; 5 — рекреация
Рис. 3.46 Эскизный проект солнцезащитного покрытия над автостоянкой
143
Рис. 3.47. Солнцезащитное покрытие над ав-
тостоянкой
Рис. 3.48. Структурная конструкция солнечной фотоэлектрической станции мощностью 10 кВт
ных фоконов требует для них защитной оболочки. Принципиальным остается во-
прос выбора схемы конструкции, допускающей слежение за Солнцем, которая
должна разбиваться на кинематически подвижные блоки и модули. Модули раз-
мещаются в ячейках блока и поворачиваются вокруг своих осей. Блок шарнир-
но крепится к неподвижным опорам и поворачивается относительно оси, перпен-
дикулярной осям модулей. В результате их совместного поворота обеспечивает-
ся слежение по двум координатным осям.
Разработаны две принципиальные схемы: с широтной и полярной система-
ми слежения. В первом случае блок подвешен к двум одинаковым опорам и ори-
ентирован своей осью по направлению восток—запад и в его ячейках размещены
модули. Согласованный поворот блока и модулей позволяет отслеживать Солн-
це по высоте и азимуту (рис. 3.35).
В конструкциях с полярной системой слежения блок подвешивается к двум
разновысоким опорам и ориентируется поворотной осью на Полярную звезду.
Модули, размещенные в ячейках блока, поворачиваются вокруг горизонтальных
осей. Такая система не требует постоянного движения блоков и модулей — в те-
чение суток достаточно поворачивать блок вокруг полярной оси, а поворот моду-
лей выполнять эпизодически. В результате снижаются затраты на слежение за
Солнцем, но увеличивается влияние ветровых нагрузок из-за высокого располо-
жения блока над поверхностью земли (рис. 3.36).
Блоки могут иметь различную форму в плане и различные ячейки — квадрат-
ные, треугольные или шестиугольные. Форма ячеек соответствует форме моду-
лей. Структурные модули, размещенные в ячейках блока, служат одновременно
несущей конструкцией и защитной оболочкой для гелиоэнергетического обору-
дования. Габаритные схемы принимаются из условий наилучшего размещения
технологического оборудования внутри модулей и рациональной компоновки мо-
дулей в ячейках блока (см. рис. 3.35 и 3.36).
Для концентраторов в виде круглых фоконов или линз наилучшая форма
ячеек — круглая или гексагональная. Можно построить несколько типов реше-
ток с гексагональными ячейками, основанных на треугольной модульной сетке.
Наилучшими из них являются решетки типа кагомэ, в которых гексагональные
144
и треугольные ячейки чередуются. Они сочетают высокую пространственную
жесткость и хорошее заполнение структурного модуля гелиотехническим обору-
дованием (рис. 3.37 и 3.38).
Форма и размеры модулей согласуются с геометрической схемой блока и си-
стемой слежения. Считается, что солнечную энергию выгодно собирать с 9 до
17 ч, что соответствует азимутальному углу поворота 120°. В системах широт-
ного слежения, во избежание взаимного затенения, между модулями остав-
ляются боковые зазоры, равные половине их ширины. В системах полярного
слежения модули поворачиваются не более чем на 23° от среднего положения.
Здесь отсутствует опасность затенения, и размеры и форма модулей приближа-
ются к размерам и форме ячеек блока (см. рис. 3.35—3.38).
Согласно традиции солнцезащитные сооружения предназначены для отра-
жения солнечных лучей, но их энергию лучше не отбрасывать, а использовать.
Наилучшим образом улавливается и преобразуется прямая солнечная радиа-
ция. В отличие от нее отраженная и рассеянная радиация улавливается плохо,
но она положительно воздействует на живые организмы. Солнцезащитное соо-
ружение должно улавливать прямую радиацию и пропускать отраженную и рас-
сеянную радиацию, т.е. должно обладать такой пространственной формой, кото-
рая максимально открывает северную часть небосвода, чтобы не препятствовать
потоку рассеянной радиации, и закрывает южную, восточную и западную части
небосвода, чтобы защитить от воздействия прямых солнечных лучей. Применяе-
мые в настоящее время горизонтальные навесы не отвечают этим требованиям—
они закрывают доступ как для прямой, так и для рассеянной радиации, и под
ними образуется застой перегретого воздуха. Более эффективно работают на-
клонные поверхности, которые способствуют возниканию конвективных потоков
нагретого воздуха и хорошему проветриванию. Ориентация плоскостей и углы
наклона поверхностей к горизонту принимаются с учетом широты местности
и функционального использования затененного пространства.
В качестве примера можно привести солнцезащитное покрытие над детской
площадкой, каркас которого состоит из трех сочлененных структурных плит
с прямоугольными ячейками. За основу построения взяты три смежные грани
ромбододекаэдра, которые наклонены к горизонту под углом 35° 16' и ориенти-
рованы скатами на юг, северо-восток и северо-запад (см. рис. 3.22). На южном
скате размещены блоки фотопреобразователей, два других ската оборудованы
солнцезащитными решетками, задерживающими утренние и вечерние лучи солн-
ца. Солнечная энергия улавливается либо фотопреобразователями, которые
превращают ее в электрическую, либо солнечными коллекторами, которые на-
гревают воду для открытого бассейна или для других целей (рис. 3.39—3.42).
Пространство под покрытием визуально связано с окружающей средой и хо-
рошо проветривается. Оно надежно защищено от прямых солнечных лучей ле-
том, но открыто для них зимой при низком положении солнца. Во все времена
года под покрытие свободно поступает отраженная и рассеянная радиация.
Солнцезащитное покрытие в виде рассеченного шатра, предназначенное для
чайханы, состоит из двух неравных частей, обращенных друг к другу открытыми
сторонами. Каркас выполнен из структурных плит с прямоугольными ячейками.
За основу взяты четыре смежные грани ромбододекаэдра, которые наклонены
к горизонту под углом 45° (см. рис. 3.22). Две структурные грани покрытия ори-
ентированы на юго-восток и юго-запад и предназначены для размещения гелио-
энергетического оборудования. Под двумя другими гранями размещается ку-
хонно-подсобный блок. Через чайхану протекает арык с небольшим бассейном
посередине (рис. 3.43—3.45).
На рис. 3.46—3.47 показано покрытие над автостоянкой, на рис. 3.48 -
конструкция солнечной фотоэлектростанции мощностью 10 кВт.
Структурные конструкции опор СЭС рассчитываются на ЭВМ с применением
программ, основанных на методе конечных элементов. Учитывается действие
145
статических и динамических нагрузок, включая собственный вес, технологиче-
ское оборудование, сейсмические нагрузки, ветер и т.п. Расчеты ведутся как
в линейной постановке задачи, так и с учетом физической и геометрической нели-
нейности. Учет нелинейности позволил приблизить расчет к действительным
условиям работы конструкции и более точно проанализировать ее напряженно-
деформированное состояние.
В пределах одной геометрической схемы рассчитываются различные вариан-
ты с варьированием комбинаций расчетных нагрузок и сечений элементов. Вет-
ровые нагрузки прикладываются статически и динамически с учетом аэродина-
мических характеристик конструкции. Сейсмические нагрузки принимаются ин-
тенсивностью 9 баллов и прикладываются по направлениям вертикальной и двух
горизонтальных осей.
Максимальные усилия возникают в стержнях опорной зоны. Для СЭС мощ-
ностью 10 кВт их величина составила около 12 кН от вертикальной нагрузки,
5 кН — от ветра и 3 кН — от сейсмики. При подборе сечений приняты трубчатые
колонны диаметром 152X4,5 мм и трубчатые стержни диаметром 26X1,0 и
32X1,2 мм. Расход металла составил 10—12 кг на 1 м2 приемной поверхности
или 200 кг на 1 кВт номинальной мощности. Стоимость опорной конструкции
около 120 руб. на 1 кВт мощности.
По результатам разработок выпущена проектно-технологическая докумен-
тация, содержащая рабочие чертежи элементов унифицированного сортамента,
расчетные и монтажные схемы конструкций и схему привязки СЭС на местности.
Разработки доведены до стадии внедрения.
Список литературы
1. Колтун М. М. Селективные оптические поверхности преобразователей солнечной энергии. — М.,
Наука, 1979, 215 с.
2. Baranov V. К. «Fokon» (in Russian) certificate of authorship 167327, specification published March
18, 1965.
3. Baranov V. K. Device for Restricting in One Plane the Angular Aperture of a Pensil of Rays from a
Hight Source (in Russian) Russian certificate of authorship 200530 specification published October, 31,
1967.
4. Wilford W. T. and Winston R. The optics of Nonimaging Concentrators, Light and Solar Energy,
Academic Press, N. Y. 1978.
5. Duffie I. A. and Beecman W. A. Solar Energy Thermal Processes, A Wiley-Intercience Publikation.
New York—London—Sydney—Toronto, 1974.
Даффи Дж. А., Бекман У. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. — М.,
Мир, 1977, 420 с.
6. A. Rabi, I. Oballagher and R. Winston. Design and test of nonevacuated solar collectors with com-
pound parabolic concentrators. Solar—Energy. V. 25,4, 1980, pp. 335—351.
7. Лидоренко H. С., Евдокимов В. M. Состояние и перспективы развития фотоэлектрического метода
преобразования. Преобразование солнечной энергии. Сб. статей Изд. АН СССР, Черноголовка,
1981 г., 7—26.
8. Солнечная фотоэлектрическая энергетика. Сб. докладов. Изд. ЫЛЫМ, г. Ашхабад, 1983 г.
9. Бортников Ю. С., Лидоренко Н. С., Мучник Г. Ф., Рябиков С. В., Стребков Д. С. Перспективы сол-
нечной энергетики. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1981, № 6, 3—12.
10. Лидоренко Н. С. Рябиков С. В., Стребков Д. С. Солнечная фотоэлектрическая энергетика: проб-
лемы и перспективы.
Альтернативные источники энергии, ч. II Использование солнечной энергии. Материалы Советско-
итальянского симпозиума. Москва, 1983. ЭНИН им. Г. М. Кржижановского, 5—15.
11. Пульманов Н. В., Потапов В. Н. Солнечные батареи в защитных прозрачных оболочках. Гелио-
техника, 1972, № 5, 25—28.
12. Solar Cells. Special Jssue. Speculations on Photovoltaics. Yune-Yuly.
13. Лидоренко H. С., Евдокимов В. M., Милованов А. Ф., Стребков Д. С. Физические принципы
преобразования энергии коицентрированного солнечного излучения с помощью полупроводниковых
фотопреобразователей. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1977, № 3, № ПО—115.
14. Proceedings of the second international conference of Photovoltaics business development. Geneva.
Switzerland. May 17—19; 1983 Monegon Ltd, USA, 289 pp.
146
15. Singh R. Economic requirements for new materials for solar photovoltaic cells Solar Energy. 1980,
v. 24, № 6, 589—592.
16. Fossum I. G., Schueler D. O. Design optimisation of silicon solar cells for connentrated sunlight
high temperature applications International Electron. Devices Meeting. Washington. D. C. December,
6—8, 1976, New York. N. Y. XIV, 671 pp., ill., 453—456.
17. Лндоренко H. С., Рябиков С. В., Стребков Д. С. и др. Солнечная электростанция. Авт. свид.
СССР № 1081389 МКИ F 24 J 3/02. 12.03.84, № 2723524/24—06, опубл, в Б. И., 1984, № II.
18. Лндоренко Н. С., Рябиков С. В., Стребков Д. С. Солнечные наземные фотоэлектрические стан-
ции. В. ки.: Преобразование солнечной энергии. — М.: Наука, 1985. — с. 5—12.
19. Лндоренко Н. С., Лиценко Т. А., Потапов В. Н., Стребков Д. С. Солнечная энергетическая уста-
новка. Авт. свид. СССР № 775539 кл. 25 3/02 Заявка № 2452487 14.02.1977. Зарегистр. 12.07.1978.
Опубл. 30.10.1980. Пат. США № 4 234. 354, 1981.
20. De Napoli Р. J. Photovoltaic Cells: a progress report. Ham Radio Mag. 1983, v. 16, № 12, p. 52—54.
21. Лндоренко H. С., Стребков Д. С. Нетрадиционная энергетика. — M.: Знание, 1986.
22. Рекомендации по проектированию структурных конструкций. ЦНИИСК им. Кучеренко. — М.,
Стройиздат, 1984.
23. Никифоров В. Г. Структурные конструкции наивысшей кристаллографической симметрии. —
В кн.: Исследования по теории расчета и проектированию сооружений. Межвуз. научн. сб. Саратов,
СПИ, 1982.
24. Вайнштейн Б. К. Симметрия кристаллов. Методы структурной кристаллографии. — В ки.: Со-
временная кристаллография, том I. М., Наука, 1979.
25. Вайнштейн Б. К. и др. Структура кристаллов. — В кн.: Современная кристаллография, том 2 —
М., Наука, 1979.
26. Кюрн М. Пьер Кюри. — М.: Наука, 1968. — С. 24.
27. Ржаницын А. Р. Строительная механика. М., Высшая школа 1982.
28. Никифоров В. Г. Способ образования стержневых пространственных конструкций. А.с. СССР
№ 920148, 1980.
29. Никифоров В. Г. Структурные конструкции системы «Октант» и их применение в солнечных
электростанциях/Труды Международного конгресса ИАСС-85 «Теория и экспериментальные иссле-
дования пространственных конструкций. Применение оболочек в инженерных сооружениях». СССР.
Москва, 23—28 сент. 1985 г. т. 4, с. 341—362.
30. Шубников А. В., Копцик В. А. Симметрия в науке и искусстве. М., Наука, 1972.
31. Файбншенко В. К. Эффективные пространственные конструкции типа «МАрхИ» — Архитектура
СССР, 1982, № 2.
32. Mengeringhausen М. Komposifion im Raum. Wiirzburg, 1975.
33. Никифоров В. Г. Оптимизация многостержневых систем по наименьшему весу. — В кн.: Строи-
тельная механика, расчет и конструирование сооружений. Сб. трудов МАрхИ, вып. 5. М.,
МАрхИ, 1976.
34. Никифоров В. Г. К вопросу унифицированного сортамента стержневых элементов перекрестных
конструкций. Там же, с. 52—61.
35. Никифоров В. Г., Потапов В. Н., Коваль Е. А. и др. Узловое соединение стержней пространствен-
ного каркаса. А.с. СССР № 1063958, 1982.
36. Хисамов Р. И. Конструирование и расчет структурных конструкций Казань, КХТИ-КИСИ, 1977.
37. Клячин А. 3., Фурманов Б. А. Структурные конструкции из пирамид с фланцевыми узловыми
сопряжениями. М., Стройиздат, 1983.
38. Федоров Е. С. Начала учения о фигурах. Л., Академиздат, 1953.
39. Шафрановский И. И. История кристаллографии с древнейших времен до начала XIX столетия.
Л., Наука, 1978.
4. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ СИСТЕМ
СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОАКТИВНЫХ ЗДАНИЙ
4.1. Задачи создания зданий с эффективным
использованием энергии
В. Н. Богословский, С. Г. Булкин
Здания как основные объекты строительства потребляют в промышленно
развитых странах до 30—50% всех ископаемых видов топлива.
147
Потери теплоты.
Рис. 4.2. Тепловые по-
токи на поверхности
абсорбера
I — теплоноситель;
2 — ветер; 3 — осадки;
4 — солнечное излуче-
ние; 5 — атмосферная
теплота; 6 — скрытая
теплота; конденсации
7 — теплопотери мере <
строительные kohci
рукции
Потери теплоты судаляемым воздухом
Pm 4.1. Распределение энергии при энерго-
снабжении здания
М — масса топлива, пошедшего на выработку
энергии, кг; Q“f - низшая рабочая теплота
сгорания топлива, Дж/кг; Q, — энергия, полу-
ченная при сгорании массы топлива М, Дж;
г) — коэффициент эффективности при выра-
ботке энергии из топлива; Qn — потери энер-
гии, Дж; Qcr — энергия, затраченная на до
бычу и производство строительных материалов
и сборку изделий из них, Дж; Qrp — энергия,
затраченная на транспорт и монтаж сырья,
строительных материалов, элементов здания и
систем инженерного оборудования с учетом
отказов и замены отдельных элементов в пе-
риод эксплуатации здания, Дж, Q, — энергия
затраченная на тепло- и холодоснабжение и
электропривод систем инженерного оборудо-
вания здания, Дж; - энергия, затраченная
на освещение здания, Дж, Q„ — затраты
труда, Дж, Пет, Нтр, По
коэффициенты эффективности соответственно
при производстве строительных материалов,
транспортировке их, выработке энергии на
нужды тепло- и холодоснабжения и привод
инженерных систем, выработке энергии на
освещение; - энергия, подведенная к зда
нию, Дж; — коэффициент преобразова-
ния первичного топлива
I
Рис 4 3 Конструкция солнечного абсорбера
а ' вид снизу; б — поперечный разрез
148
На рис. 4.1 представлена схема энергопотребления и преобразования энергии
при производстве строительных материалов, строительстве и эксплуатации зда-
ний, из которой следует, что при решении задачи экономии энергии следует до-
биваться снижения энергопотребления в каждом из звеньев представленной схе-
мы, рассматривая здание как единую энергетическую систему.
Совокупность методов и инженерных устройств, обеспечивающих заданный
микроклимат в помещениях: градостроительные, объемно-планировочные и кон-
структивные решения здания, системы отопления и охлаждения, вентиляции
и кондиционирования воздуха являются системой кондиционирования микро-
климата (СКМ). Поэтому системный подход с целью уменьшения энергопот-
ребления в зданиях с эффективным использованием энергии (ЗЭИЭ) должен
быть направлен на оптимизацию его СКМ.
Последовательность повышения эффективности использования энергии
в здании включает следующие элементы: оптимизацию всех элементов СКМ;
обеспечение экономии энергии в процессе эксплуатации здания в режиме его
круглогодичной работы и при регулировании; рассмотрение дополнительных
решений по утилизации низкопотенциальной теплоты, использованию нетради-
ционных, возобновляемых источников энергии (вторичных энергоресурсов, сол-
нечной энергии и т.д.) [1].
Последовательность теплотехнического расчета ЗЭИЭ, которая по существу
является словесным алгоритмом, должна быть следующей:
определение расчетных внутренних условий (РВУ) и их необходимой обеспе-
ченности: допустимые и оптимальные комфортные и технологические условия
в течение зимы, лета и всего года;
определение расчетных наружных условий (РНУ) с учетом заданного коэф-
фициента обеспеченности в виде сочетаний климатических параметров соответ-
ственно для зимы, лета и всего года;
выбор градостроительных, объемно-планировочных и конструктивных реше-
ний защиты здания; пассивных мер борьбы с переохлаждением и перегревом
зданий;
определение тепло-, воздухо-влагозащитных свойств всех видов ограждений;
создание равноэффективных по защитным свойствам в отдельных сечениях кон-
струкций, а также конструкций с регулируемыми защитными свойствами;
расчет потерь и поступлений теплоты через наружные ограждения (включая
солнечную радиацию, массообмен), а также от технологического и бытового
оборудования;
расчет теплового баланса помещений, определение экстремальных значений
(зима, лето) и годового хода изменений теплового режима помещений здания;
оценка естественного пассивного теплового режима здания и его изменения
в течение года. Выявление низкопотенциальных источников сброса теплоты,
холода в здании, вторичных энергоресурсов (ВЭР) технологического процесса,
их режимных характеристик;
оценка регулируемого активного теплового режима здания: определение
установочной мощности, режима работы и регулирования активных систем отоп-
ления, охлаждения, вентиляции и кондиционирования воздуха (ООВ и КВ);
выбор схем и элементов систем ООВ и КВ, включая использование солнечной
энергии, ВЭР технологического процесса, низкопотенциальной теплоты, теряе-
мой в здании, и других нетрадиционных источников энергии;
определение показателей эффективности принятого решения систем конди-
ционирования микроклимата здания с эффективным использованием энергии.
149
4.2. Системы солнечного отопления
и горячего водоснабжения
В. Н. Богословский, С. Г. Булкин
Основной объект строительства — здания — потребляют в основном тепло-
вую энергию на отопление, горячее водоснабжение и реже на кондиционирова-
ние воздуха. Солнечные установки для энергоснабжения здания должны преоб-
разовывать солнечную энергию в тепловую и включать в себя гелиоприемник,
аккумулятор теплоты; при необходимости, трансформатор температуры — теп-
ловой насос, а также потребитель теплоты — систему отопления, горячего водо-
снабжения или кондиционирования воздуха здания.
Преобразователи солнечного излучения в тепловую энергию подразделяются
на два основных класса: концентрирующие и плоские гелиоприемники.
Преимуществом концентрирующих гелиоприемников является возможность
нагрева теплоносителя до температур свыше 100° С. Недостатки заключаются
в необходимости постоянной очистки отражающей поверхности, устройстве до-
рогостоящей механической системы слежения за солнцем; возможности исполь-
зования только прямой солнечной радиации, что ограничивает время активной
работы и требует аккумуляторов теплоты большой емкости. Перечисленные
выше недостатки сдерживают их применение. В последнее время широкое рас-
пространение в практике гелиотехники находят в основном плоские гелиопри-
емники.
На сегодня разработаны четыре поколения гелиоприемников, основу кото-
рых составляют тепловоспринимающие панели [2, 3, 4]. Эффективность таких
гелиоприемников, особенно сезонная и годовая, относительно невысока из-за
работы лишь в светлое время суток и лишь при минимально необходимой для
этого интенсивности солнечной радиации.
Опыт эксплуатации нагревательных установок на основе солнечных коллек-
торов наряду с положительными качествами выявил ряд существенных недо-
статков. Прежде всего, это достаточно высокая стоимость. Повышение эффек-
тивности работы коллекторов за счет селективных покрытий тепловоспринимаю-
щих поверхностей, увеличения прозрачности остекления, устройств снижения
конвективного теплообмена, вакуумирования, устройства системы слежения,
повышенные эксплуатационные затраты на очистку и ремонт затрудняют вы-
ход на экономически рентабельный уровень [2].
Прибором, с помощью которого устраняются многие из перечисленных не-
достатков, является солнечный абсорбер.
4.2.1. Солнечные абсорберы представляют собой разновидность плоских
гелиоприемников. Они состоят из одной тепловоспринимающей панели, не изо-
лированной остеклением со стороны, обращенной к солнцу, а часто и тепло-
изоляцией с обратной стороны. Теплоноситель подается в панель с температурой
на несколько (3—5 К) градусов ниже температуры окружающего воздуха. За
счет этого возможно использование не только энергии прямой и рассеянной сол-
нечной радиации, но и теплоты атмосферы, осадков, фазовых превращений на
поверхности при конденсации и инееобразовании (рис. 4.2). Возможна также
утилизация теплопотерь через ограждающие конструкции при совмещении
с ними абсорбера.
Солнечные абсорберы фактически имеют минимум потерь теплоты. Лишь
5—10% падающей на поверхность абсорбера солнечной радиации отражается
от нее в зависимости от цвета и качества покрытия. Составляющая длинно-
волнового излучения в энергетическом балансе абсорбера может быть либо
нулевой, либо положительной, т.е. лучистые потери или отсутствуют или абсор-
бер сам дополнительно воспринимает длинноволновое излучение окружающих
поверхностей.
150
Предлагается к применению конструкция солнечного абсорбера, разрабо-
танная в Московском инженерно-строительном институте им. В. В. Куйбышева,
типа лист-труба с трубами квадратного сечения (рис. 4.3). Основным тепловос-
принимающим элементом является стальной лист 1, толщиной 1,5 мм, к кото-
рому скобами 2, 3 и накладками 4 прижат коллектор 5, сваренный из труб пря-
моугольного сечения 25Х28Х 1,5 ГОСТ 8645—68. Ввод и вывод теплоносителя
осуществляются с нижней стороны абсорбера через штуцера, к которым на муф-
товом соединении крепятся трубопроводы. Между собой коллекторы соеди-
няются трубами 6.
Приведенная конструкция солнечного абсорбера может заменять собой кро-
вельное покрытие. Для обеспечения герметичности соединения отдельных
абсорберов между собой по продольному и поперечному краям листов накаты-
ваются полукруглые канавки на накладываемом листе с внутренней стороны,
а на нижележащем — с наружной, как показано на рис. 4.3. В канавки уклады-
вается герметизирующий резиновый шнур ГОСТ 6467-79 [5]. Листы стягива-
ются между собой и крепятся к стропильной конструкции болтами 7. Продоль-
ное соединение (разрез А—А) обеспечивает накладка 9 с накатанными на ней
с внутренней стороны полукруглыми канавками, в которые также укладывается
резиновый герметизирующий шнур 8. От коррозии абсорберы защищают лако-
красочными или пластмассовыми покрытиями.
Разработанная конструкция обладает за счет трубного коллектора жест-
костью, позволяющей выдерживать снеговые и ветровые нагрузки. Трубы пря-
моугольного сечения имеют большую площадь контакта с листом, а равномер-
ное прижатие их к листу с помощью накладок обеспечивает лучший контакт
с поверхностью, чем при сварном соединении.
Другой конструкцией, рекомендуемой к применению в качестве солнечного
абсорбера, являются стальные штампованные радиаторы, широкий промыш-
ленный выпуск которых налажен на нескольких крупных заводах. Выпускают
14 типоразмеров радиаторов РСГ2 в однорядном, двухрядном и трехрядном
исполнении, а с 1980 г. приступили к серийному производству четырехходового
радиатора с переменным сечением коллектора РСГ4 и панельных радиаторов
колончатого типа РСВ 5 с расстоянием между штуцерами 500 мм на рабочее
давление до 1 МПа.
Стальной панельный радиатор представляет собой две симметричные от-
штампованные из листовой стали, толщиной 0,5 мм панели требуемых размеров,
сваренные электроконтактной сваркой, так, что при этом образована система
вертикальных и горизонтальных каналов.
С конструктивной точки зрения, наиболее целесообразной для использова-
ния в качестве солнечного абсорбера, представляется модель РСВ 5-1-6, раз-
меры которой представлены на рис. 4.4.
Эту модель целесообразно применять в качестве элементов строительных
конструкций, таких, как козырьки, навесы, балконные ограждения, элементы
ограды и др., или совмещать со строительными конструкциями (стеновые панели
перекрытия и др.). При этом отпадает необходимость в специальной облицовке
фасадов, устройстве рулонного кровельного покрытия и др., так как абсорберы
надежно защитят их от неблагоприятных атмосферных воздействий, что уде-
шевит строительные конструкции при сохранении их надежности. Циркули-
рующий же по каналам абсорберов теплоноситель отведет от ограждающих
конструкций избытки теплоты в жаркое время, что повысит их теплотехнические
качества и позволит регулировать последние. Солнечные абсорберы намного
легче «классических» коллекторов типа «горячий ящик», что дает возможность
их применения без дополнительного усиления несущих конструкций.
Если в качестве абсорбера будет применяться стальной штампованный ра-
диатор, то стоимость его 1 м2 составит в среднем 5 руб., что более чем в 8 раз
меньше стоимости 1 м2 коллектора. Однако следует помнить, что абсорберы
151
используются в сочетании с тепловым насосом, эксплуатация которого требует
дополнительного подвода энергии.
На основании теплотехнических испытаний абсорбционных гелиоприемни-
ков [1. 5, 6] определены общие коэффициенты теплопередачи конструкций
в различных условиях эксплуатации. Ниже приведены их средние значения.
На основе корреляционно-регрессионного анализа выведена зависимость
[5] общего коэффициента теплопередачи абсорбера от расхода теплоносителя
G, угла наклона абсорбера к горизонту а, скорости ветра v, температуры на-
ружного воздуха /„ и гелиоприемника (абсорбера) /гел.
К = 29,72 + 0,271 а + 2,917 v - 0,494 ZH - /гел . (4.1)
Режим работы Общий коэффициент
теплопередачи К, Вт/(м2- К)
Сухая поверхность..................20
Конденсация
на 1/з поверхности 22
« 7'2 « . . . . 24
« 7з « . ... 26
« всей « 28
Инееобразование
на поверхности 24
« 'Д « 28
« 2/з « ......... 30
« всей « 34
Как видно из вывода, целесообразно использовать режимы конденсации
и инееобразования на поверхности абсорбера в годовом режиме работы. Обрат-
ные процессы не играют существенной роли при крутом угле наклона абсорбера,
являющимся лучшим для наиболее полного поглощения солнечной радиации,
так как конденсат скатывается с поверхности и к моменту начала процесса
испарения и таяния на ней остается лишь его незначительная часть.
4.2.2. Теплоноситель гелиоконтура. В связи с тем, что температура тепло-
носителя в гелиоконтуре систем с абсорбционными гелиоприемниками должна
быть на несколько градусов ниже температуры окружающего воздуха (для по-
лезного использования теплоты окружающего воздуха), при эксплуатации зи-
мой в системе должен применяться незамерзающий теплоноситель.
В гелиосистемах широко применяется антифриз в виде водного раствора
этиленгликоля [3], однако он обладает существенными недостатками, главным
из которых является то, что он ядовит. Это требует применения многоконтурных
систем и надежной защиты от попадания его в системы горячего водоснабже-
ния. Кроме того, данный атифриз вызывает активную коррозию металлов, что
требует применения в гелиосистемах дорогостоящих и дефицитных цветных ме-
таллов или ведет к снижению долговечности системы в целом.
Предлагается применять в качестве теплоносителя гелиоконтура водный
раствор глицерина (глизантин). Он не ядовит и не вызывает коррозии металлов,
поэтому в качестве гелиоприемников выгодно использовать стальные штампо-
ванные радиаторы с тонкой стенкой. Коррозии внутренних стенок происходить
не будет, а при надежной защите с наружной стороны можно рассчитывать на
их долговечность.
Физические свойства глизантина, такие, как температура замерзания, ки-
нематическая вязкось, плотность и теплоемкость в зависимости от температуры
и концентрации, а также температура замерзания в зависимости от концентра-
ции, приведены на рис. 4.5, 4.6, 4.7, 4.8.
Как видно из рис. 4.5, при концентрации 50% возможно использование гли-
зантина как теплоносителя до температуры наружного воздуха —39° С.
При этом плотность жидкости увеличивается всего на 8%, а кинематиче-
152
ская вязкость возрастает в 4 раза по сравнению с использованием в качестве
теплоносителя воды.
Сейчас ведутся работы по применению в качестве теплоносителя калтазина
и «НОЖ-2», также не вызывающих коррозии металлов.
4.2.3. Тепловые насосы являются преобразователями тепловой энергии,
в них происходит повышение ее потенциала (температуры). Тепловые насосы
подразделяются на три вида: компрессионные, сорбционные и термоэлектри-
ческие.
Принцип работы компрессионных тепловых насосов основан на последова-
тельном осуществлении процессов расширения и сжатия рабочего вещества.
Тепловые насосы этого вида подразделяются на воздушно-компрессионные
и парокомпрессионные.
Принцип работы сорбционных тепловых насосов основан на последователь-
ном осуществлении термохимических процессов поглощения (сорбции) рабо-
чего агента (отдача теплоты) соответствующим сорбентом, а зйтем выделения
(десорбции) рабочего агента (поглощение теплоты) из сорбента. Сорбционные
установки делят на абсорбционные (объемное поглощение) и адсорбционные
(поверхностное поглощение).
Термоэлектрические тепловые насосы основаны на эффекте Пельтье, в ре-
зультате которого при прохождении через спаи материалов электрического тока
в них выделяется и поглощается теплота.
Экспертные оценки развития теплонасосной техники указывают на то [7],
что основным типом намечаемых к широкому внедрению в будущем теплонасос-
ных систем будут парокомпрессионные тепловые насосы.
Парокомпрессионный тепловой насос (рис. 4.9) включает компрессор, кото-
рый засасывает из испарителя пары рабочего вещества, сжимает их и подает
в конденсатор. Процесс сжатия в компрессоре сопровождается повышением
температуры и давления паров. В конденсаторе происходит конденсация паров
рабочего вещества и выделение той теплоты конденсации, которая должна быть
отведена. Из конденсатора рабочее вещество, находящееся в жидком состоя-
нии, поступает через дроссельный вентиль, уменьшающий давление, в испари-
тель, где жидкость испаряется. Испарение происходит при более низкой темпе-
ратуре, чем конденсация. Теплота, необходимая для процесса испарения,
должна быть подведена к испарителю. Источником этой теплоты в гелиосисте-
мах с абсорбционными гелиоприемниками служит солнечная радиация и тепло-
та наружного воздуха. Стоком теплоты в конденсаторе являются системы
отопления или горячего водоснабжения.
Изменение параметров в рабочем цикле теплового насоса в Т—S-диаграмме
представлено на рис. 4.10. Термодинамическая эффективность процесса опреде-
ляется зависимостью
ЖЖ Ж (4-2)
где Т„ — температура конденсации; Т„ — температура испарения.
Из формулы (4.2) видно, что процесс протекает тем эффективнее, чем мень-
ше разность температур между конденсатором и испарителем. В связи с этим
при проектировании гелиосистем расчетную температуру теплоносителя в си-
стеме отопления и горячего водоснабжения надо выбирать как можно ниже.
По нормам многих стран эта температура должна быть около 45—50°С. Тем-
пература испарения в гелиосистемах с абсорбционными гелиоприемниками
определяется температурой окружающего воздуха. Выбор температуры испа-
рения является экономической задачей и определяется экономически минималь-
ной разностью температур между температурами испарения и наружного воз-
духа при минимизации расхода энергии на привод теплового насоса и энергии
на производство тепловоспринимающих устройств — гелиоприемников. Темпе-
153
Таблица 4.1. Свойства хладонов
R 11 Фтортрихлорметан CFCi3 137,37 0,06053 23,65 — 111,0 198,0 43,40
R 12 Дифтордихлорметан CF2CI2 120,91 0,06876 —29,74 — 112,0 112,0 41,19
R 22 Дифторхлорметан chf2ci 86,47 0,09616 —40,81 -160,0 96,1 49,90
R 114 1,2-Дихлортетрафтор- cf2cicf2ci 170,92 0,04864 3,63 —93,9 147,5 33,33
этан
ратура испарения не должна в связи с этим быть постоянной, а по мере повы-
шения температуры наружного воздуха она должна следовать за ней при сохра-
нении экономически допустимого минимального перепада температур.
Несовпадение суточных максимумов прихода и расхода тепловой энергии
вызывает необходимость регулирования температуры испарения в связи с воз-
никновением больших давлений в испарителе и блоке цилиндров компрессора.
Регулировка температуры испарения может осуществляться дроссельным вен-
тилем, отключением ряда тепловоспринимающих поверхностей (абсорберов)
или устройством теплового аккумулятора на стороне испарителя. Теплооотдачу
теплового насоса можно регулировать отключением отдельных групп цилиндров
компрессора или включением тепловго аккумулятора в отопительный контур
системы. Приводами компрессоров в тепловых насосах могут служить электро-
двигатели или двигатели внутреннего сгорания [7]. Широко применяются
электродвигатели. Однако в последние годы внимание специалистов привле-
кают различные двигатели, работающие на природном газе (газовые двига-
тели). Возможность утилизации теплоты уходящих газов и охлаждающей дви-
гатель воды позволяет получить более высокую температуру воды для системы
отопления (90—95°С), а также повысить коэффициент использования топлива
при выработке энергии на привод компрессора и тепловой энергии на догрев
теплоносителя до 80% (доля энергии топлива, передаваемая в двигателе при-
воду компрессора, составляет 30%; теплота, утилизированная в системе,—
50%) [8]. К недостаткам поршневых газовых двигателей относится высокий
уровень шума (до 96 дБ). В связи с этим на стадии проектирования следует уде-
лять внимание мероприятиям по шумозащите.
В нашей стране при отсутствии промышленного выпуска тепловых насосов
для комплектации установок используют выпускаемое промышленностью хо-
лодильное оборудование.
При разработке тепловых насосов большое значение имеет выбор вида рабо-
чего вещества, поскольку оно влияет на величину коэффициента преобразова-
ния энергии. Идеальное рабочее вещество должно характеризоваться химиче-
ской стабильностью и инертностью по отношению к конструктивным материа-
лам и смазочным маслам, невоспламеняемостью, нетоксичностью, приемлемой
стоимостью и низким давлением конденсации (не более 1,2 МПа), давлением
кипения, близким к атмосферному, высокой критической температурой и низ-
кой температурой замерзания, а также высокой эффективностью холодильного
цикла.
Поскольку хладагента, который отвечал бы всем перечисленным требова-
ниям при использовании его в широком диапазоне температур испарения и кон-
денсации, встречающихся при работе теплового насоса в гелиоконтуре, нет,
применяют хладагенты, удовлетворяющие наиболее важным требованиям.
154
— В современных тепловых насосах комп-
е рессивного типа рабочим веществом глав-
s. ным образом являются хладоны и, чаще
I других R 12. Хладон /? 12 не токсичен,
5 обладает наиболее высокой тепловой мощ-
| ностью (табл. 4.1). Главным недостатком
—хладона R 12 является высокое давление
0,5702 -20 50 1.3 442 2,4 в фазе конденсации, вследствие чего мак-
0,5791 —20 50 1,4 2286 12,4 симальная температура теплоносителя.
0,5372 —20 50 1,2 635 4,1 достигаемая в тепловых насосах с хладо-
0,6230 -20 50 1,1 783 4,6 ном R 12, не превышает 60°С. С этой точки зрения перспективным для применения в тепловых насосах оказывается хладон R 142 [12]. При его применении темпера- туру теплоносителя удается повысить до
90—100°С. Основным недостатком хладона R 142 является его горючесть.
Для этой же цели составляют смеси хладонов: R 12/R 11; R 12/R 113;
R 22/R 114. Однако при их применении с повышением температуры конденса-
ции снижается тепловая мощность тепловых насосов.
Снизить температуру испарения либо сгладить ее суточные колебания или
колебания в связи с периодическим сиянием солнца при переменной облачности
удается применением баков-аккумуляторов в контуре гелиоприемников.
4.2.4. Аккумулирование тепловой энергии, в зависимости от происходящих
в аккумуляторе процессов, возможно способами, представленными на рис. 4.11.
В аккумуляторах с жидкими или твердыми заполнителями энергия накапли-
вается за счет теплоемкости материала заполнителя. В фазовых аккумуляторах
энергия накапливается при плавлении заполнителя и выделяется при его твер-
дении. В термохимических аккумуляторах энергия накапливается при прохож-
дении эндотермических химических реакций и выделяется при экзотермических.
Применение теплоемкостных жидкостных аккумуляторов или аккумуляторов
с твердым заполнителем в жидкостных гелиосистемах нерентабельно из-за боль-
ших объемов, занимаемых баками-аккумуляторами. Наибольшее значение в по-
следнее время для гелиосистем приобретают аккумуляторы с фазовыми перехо-
дами. Теплофизические характеристики некоторых из них приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2. Физические свойства аккумулирующих материалов
Материал Удельная теплоемкость фазы, кДж/(кг- К> Температура плавления.°C Теплота плавления, кДж/кг Плотность фазы, кг/м3
твердой | ЖИДКОЙ твердой | жидкой
СаС12- ЮН2О 1,38 2,18 27,0 193 1713 1523
Na2SO4 • ЮН20 1,92 3,26 32,0 251 1460 1330
Парафин 2.89 3,8 46,7 209 786 —
Mg(NO3)2NH,NO3 2,01 2,43 50,0 130 1633 1553
Mg(NO3)2- 6Н2О 1,84 2,51 89,0 159 1643 1553
Гравий 0,84 — — — 2400 —
Вода 4,19 — — 1000
Как видно из таблицы, для аккумилирования одинакового количества тепло-
ты аккумулятор с глауберовой солью будет примерно в 60 раз меньше по объему,
чем водяной'. Однако применение аккумуляторов с фазовыми переходами
1 Глауберова соль в режиме фазовых превращений недолговечна, и ее применение в аккуму-
ляторах теплоты в гелиосистемах стационарных зданий не рекомендуется (Примеч. ред.).
155
Рис. 4.4. Стальной штампованный радиатор
РСВ 5-1-6
Рис. 4.5. Зависимость температуры замерза-
ния глизантина от концентрации глицерина
Рис. 4.6. Зависимость кинематической вязко-
сти глизантина от температуры при различных
концентрациях
Рис. 4.7 Зависимость плотности глизантина
Рис. 4.8. Зависимость теплоемкости глизан-
тина от температуры при различных его кон-
центрациях
156
сдерживается высокой стоимостью аккумулирующих материалов и высокой
коррозионной активностью. В настоящее время исследования в этом направле-
нии продолжаются [9].
Баки-аккумуляторы выполняются обычно в виде металлического корпуса
с широко развитой поверхностью обмена. Греющий контур подключается к ниж-
нему теплообменнику, а нагреваемый — к верхнему. Корпус бака защищают
теплоизоляцией или помещают в грунт.
Разработано много технических решений фазовых аккумуляторов, однако
эффективной и высокоиндустриальной конструкции до сих пор нет. Причинами
этого являются следующие проблемы, встречающиеся при применении в каче-
стве аккумулирующей среды гидратов солей [19]:
для стимулирования кристаллизации в толще материала должны присутст-
вовать центры кристаллизации, так как при их отсутствии возможно сильное
переохлаждение аккумулирующего материала (например, при применении
глауберовой соли переохлаждение может доходить до 20—25 К). Кристаллиза-
ция может быть стимулирована добавлением в расплав ядер кристаллизации
(например, для глауберовой соли добавка 3—5% буры) или применением кар-
касных решеток;
при плавлении гидратов солей на дне аккумуляторов откладывается слой
кристаллического вещества, не принимающего участия в плавлении и кристал-
лизации. При этом тепловая емкость может снизиться до I /3. Для предотвра-
щения явления стратификации обычно рекомендуют раствор перемешивать;
условия теплоотдачи в баке от греющего элемента к аккумулирующей среде
и от аккумулирующей среды к нагреваемому элементу должны быть как можно
лучше, чтобы скорость кристаллизации была примерно равна скорости тепло-
передачи;
толщина теплоаккумулирующего элемента должна составлять 6—9 мм при
относительно развитой площади теплообмена;
аккумуляторы должны быть герметически закрыты, так как испарение воды
ведет к нарушению процесса плавления, а кислород воздуха повышает корро-
зионную активность гидратов солей. При применении органических соединений,
которые большей частью являются гигроскопичными, поглощение водяных па-
ров приводит к смещению температуры плавления;
аккумуляторы следует изготавливать из нержавеющих материалов, объем
аккумулятора надо лишь на 40—70% заполнять аккумулирующим веществом.
Аккумуляторы с твердым заполнителем имеют наиболее простое устройство,
однако, как видно из табл. 4.2, их удельная теплоемкость составляет лишь 25%,
а плотность вдвое больше плотности воды. Как показано в [10], объем таких
аккумуляторов должен составлять 0,17—0,25 м3/м2 площади гелиоприемников.
Их целесообразно применять как долгосрочные аккумуляторы, так как время их
зарядки и разрядки достаточно велико. Следует учитывать также дополнитель-
ные затраты энергии на преодоление большого гидравлического или аэродина-
мического сопротивления аккумулятора. При эксплуатации такого аккумуля-
тора нужно следить за чистотой поверхности заполнителя и предотвращать
образование плесени и микробов.
С технико-экономической точки зрения наиболее благоприятные возможно-
сти для применения представляют жидкостные аккумуляторы. Их можно изго-
товлять на базе индустриально выпускаемых бойлеров, расширительных баков,
аккумуляторов систем горячего водоснабжения и аккумуляторов холода холо-
дильных машин. Работают они по принципам вытеснения и смешения. Выбор
принципа работы, формы жидкостного аккумулятора и режима его включения
и выключения решается индивидуально в каждом конкретном случае, так как
от этого зависит эффективность использования солнечной энергии.
При расчете всех видов аккумуляторов должны решаться следующие задачи:
определение граничных температур зарядки и разрядки аккумулятора;
157
Рис. 4.11. Способы аккумулирования теп-
ловой энергии
Рис 4.12. Принципиальная схема установки солнечного отопления и горячего водоснабжения с сол-
нечными абсорберами и тепловым насосом
Q„r—анергия, поступающая на поверхность гелиоприемника, Дж; /жк— температуры соот-
ветственно на входе и выходе из гелиоприемника, °C; /гел — температура гелиоприемника. СС; вть
6Т2 — безразмерные перепады температуры соответственно со стороны солнечного контура и тепло-
вого насоса в низкотемпературном аккумуляторе теплоты; /ак, Мвк — соответственно температура,
°C, и масса, кг, низкотемпературного аккумулятора теплоты; /ЖН|, Дк1 —температура соответст-
венно на входе и выходе из низкотемпературного аккумулятора теплоты со стороны теплового насо-
са, °C; Р„с, t„c, 6„с — соответственно давление, Па,температура, °C, и безразмерный перепад тем-
пературы в испарителе теплового насоса; Рк0„. /ко„, 0КОН — то же, конденсатора теплового насоса;
/жк2. ^ж.к.2 — температура соответственно на входе и выходе из конденсатора теплового насоса, °C;
— температура в высокотемпературном баке-аккумуляторе, ° С; ©тз. Нт< — безразмерные перепа-
ды температуры в высокотемпературном аккумуляторе соответственно со стороны теплового насоса
и теплообменника системы отопления; /жл3; /„.«з — соответственно температура на входе и выходе
из теплообменника системы отопления, °C; tB.„; tBB — температура соответственно в подающей и об-
ратной магистралях системы отопления, °C
158
определение необходимого перепада температур между греющей средой
и аккумулирующим материалом, а также аккумулирующим материалом и нагре-
ваемой средой и, кроме того, массовых расходов греющей и нагреваемой сред;
определение времени зарядки и разрядки аккумулятора;
определение необходимого объема аккумулятора, режимов его работы и ре-
гулирования.
4.2.5. Принципиальная схема установки представлена на рис. 4.12. Для
абсорбционных гелиоприемников создается контур I, заполняемый глизантином.
Циркуляция производится циркуляционным насосом. Сток теплоты осуществ-
ляется в бак-аккумулятор III контура, предназначенный для выравнивания тем-
пературы испарения теплового насоса. Тепловой насос может быть водоводя-
ным или водовоздушным. Один из его теплообменников (водяной) помещается
в бак-аккумулятор I контура. Второй теплообменник теплового насоса (водяной
или воздушный) подключается к баку-аккумулятору II отопительного контура.
К этому же аккумулятору подключается теплообменник воздушной или водяной
системы отопления. Аккумулятор применяется для выравнивания неравномер-
ности поступления теплоты на поверхность абсорбера.
Регулирование теплоотдачи теплового насоса возможно:
отключением части тепловоспринимающих поверхностей (абсорберов). При-
меняется при повышении температуры испарения выше максимально допусти-
мого значения, определяемого конструкцией теплового насоса;
отключением групп цилиндров компрессора. Применяется при полной заряд-
ке аккумулятора отопительного контура;
включением параллельных дроссельных вентилей для сезонного регулиро-
вания;
применением регулируемого дроссельного вентиля (исключает необходи-
мость всех предыдущих способов регулирования, но пока серийно нашей про-
мышленностью не выпускается).
Регулирование должно осуществляться по температуре на выходе из гелио-
приемников, соответствующей температуре испарения, и по температуре акку-
мулятора в отопительном контуре.
Предлагаемая система работает круглосуточно с переменной теплоотдачей,
которая компенсируется аккумулятором. Кроме того, возможно непосредст-
венное подключение абсорберов к контуру отопления и горячего водоснабже-
ния через бак-аккумулятор (рис. 4.13). Такая схема включения может приме-
няться при использовании системы только в переходный или летний периоды.
Температура на выходе из абсорбера при этом не должна быть ниже темпера-
туры аккумулятора. В противном случае должно происходить автоматическое
отключение солнечного контура. Эффективность системы при такой схеме вклю-
чения значительно ниже первой из-за высоких непроизводительных потерь теп-
лоты в окружающую среду.
Наиболее целесообразно в этом случае применение комбинированной схемы
включения, представленной на рис. 4.14. При температурах теплоносителя на
выходе из абсорбера ниже температуры аккумулятора работает тепловой насос.
При превышении температуры на выходе из гелиоприемника над температурой
аккумулятора происходит его отключение. При этом перекрывается вентиль на
перемычке теплообменника и открывается вентиль на его подающей магистрали.
Далее работа системы сводится к работе предыдущей схемы.
Применение такой схемы целесообразно в районах с относительно теплым
летним периодом при интенсивной солнечной радиации для выработки теплоты
на нужды горячего водоснабжения в летний период по схеме непосредственного
присоединения абсорберов, так как в летний период теплоприток значительно
превышает теплопотребление. Применение данной схемы включения требует
устройства дополнительного теплообменника, однако значительно снижает
годовой расход электроэнергии на привод теплового насоса.
159
Рис. 4.13. Схема непосредственного подклю-
чения солнечного абсорбера к потребителю
теплоты
/ — солнечный абсорбер; 2- бак аккумуля-
тор; 3 циркуляционный насос; 4 — сис-
тема горячего водоснабжения; 5 — система
отопления
Рис 4.15. Принципиальная схема солнечного
теплоснабжения дома
1 солнечный коллектор; 2 - теплообменник
первого контура, заполненного антифризом;
3 — бак-аккумулятор; 4 — объект теплоснаб-
жения (дом) ,58 — дублирующие источники
энергии соответственно систем отопления и
горячего водоснабжения; 6 вентилятор;
7 — водовоздушный теплообменник
Рис. 4.17. График зависимости f и q от F/S для
коллектора I типа при различных значениях
г в условиях Астрахани
Рис. 4.18. Зависимость годового коэффициен-
та замещения j от годового прихода суммарной
солнечной радиации на горизонтальную по-
верхность Q в коллекторах II типа (F/S—
=0,5 и r= 1)
Рис. 4.14. Комбинированная схема подключе-
ния солнечного абсорбера к потребителю
1 — солнечный абсорбер; 2 — бак-аккумуля-
юр; 3 — циркуляционный насос; 4 — тепловой
насос; 5 — теплообменник; 6 — магнитный
вентиль; 7 — дополнительный источник теп-
юты
Рис. 4.16. Зависимость f от F/S для коллекто-
ров различного типа в условиях Ашхабада
(37,6° с. ш.), Астрахани (46,3° с. ш.) и Куста-
ная (53, Г с. ш.)
1 — двойное остекление и неселективная по-
глощающая поверхность; // — одинарное
остекление и селективная поглощающая по-
верхность, ///— двойное остекление и селек-
тивная поглощающая поверхность
160
Целесообразно устраивать систему отопления и горячего водоснабжения
на основе солнечных абсорберов и теплового насоса в зданиях, где уже имеются
холодильные центры, которые большую часть времени работают с неполной
загрузкой или простаивают и могли бы в это время переключаться на режим
работы теплового насоса (например, здания фруктохранилища). При этом не
требуется внешнего источника теплоты для здания; повышается коэффициент
использования холодильного оборудования; не требуется дополнительного
обслуживающего персонала для обслуживания систем отопления и горячего
водоснабжения; не требуется отдельного теплового насоса для системы отопле-
ния и горячего водоснабжения; устанавливаемые на кровле солнечные абсор-
беры стоимостью 5 руб/м2 совмещаются с кровельной конструкцией, что сни-
жает затраты на устройство кровли, так как не требуется гидроизоляция; сол-
нечные абсорберы позволяют снять теплоту солнечной радиации с кровли, что
снижает нагрузку на холодильное оборудование холодильных камер; общее
энергопотребление зданий может быть понижено на 70%.
4.3. Единый метод термодинамического
и физико-математического описания
и расчета процесса тепломассообмена
в элементах гелиосистем
В. Н. Богословский, С. Г. Булкин
Системы солнечного отопления и горячего водоснабжения на основе гелио-
приемника и теплового насоса представляют собой сложную совокупность
тепломассообменных аппаратов.
В связи с этим чрезвычайно важно отыскать единую научную основу метода
их расчета. Применение единого метода может привести к некоторой потере точ-
ности при расчете отдельных аппаратов и устройств, но сопоставимость резуль-
татов расчета элементов системы делает преимущества единого метода неоспо-
римым.
В ходе решения задач для воды, влажного воздуха, растворов, влажных ма-
териалов, как рабочих сред в СКМ, термодинамическое уравнение состояния
удобно записать в виде уравнения Гиббса для открытой системы
dF = SdT + ©' dm. (4.3)
Величина ©' — это полный термодинамический потенциал компоненты гетеро-
генного рабочего тела (среды), изменение массы которой определяется урав-
нением (4.3). В элементах СКМ такой компонентой среды обычно является
влага и 0' — потенциал влажности. Таким образом, потенциалом состояния
среды в СКМ при рассмотрении их тепло- и массообмена в общем случае явля-
ются Т и ©'.
Силами, вызывающими потоки тепла и массы в самих средах и между ними,
соответственно являются градиенты или перепады температуры (V/, А/) и потен-
циала влажности (V©', А©').
Перенос в самой среде около ее граничной поверхности может быть физико-
математически определен: системой уравнений Рейнольдса, Новье-Стокса; урав-
нениями пограничного слоя Прандтля; одномерным уравнением переноса (так
называемая a-модель). В аппаратах СКМ обычно достаточно использование а-
модели. С учетом взаимовлияния обменных процессов (по Льюису и Меркелю)
явный (<7явн), скрытый (</СКр) и полный (<?пОл) теплообмен и массообмен (/)
можно записать применительно, например, к влажному воздуху в виде:
161
q -aLt
Ч яви
<?пол = <а/Св)Д/ |
]=(а1съ)Ь<1,
где св — массовая теплоемкость; qt — теплота конденсации; t; I. d — температура, энтальпия
и влагосодержание влажного воздуха, которые в этом написании уравнений являются термодина-
мическими потенциалами состояния воздуха.
Для дальнейшего рассмотрения удобно воспользоваться приближенным
аналитическим методом расчета изменения тепловлажностного состояния
влажного воздуха [1]. Обычно достаточно использование линейной аппрокси-
мации зависимости изменения энтальпии (/) от температуры (t) и влагосодер-
жания (d) воздуха в виде зависимости
Д/ =А ДГ +В bd. (4.5)
Необходимо также определение условной теплоемкости влажного воздуха
на линии насыщения (снас):
С
нас
" "нас " 'нас
д I д d
--™L=C+ g (4.1
Обычно стенка теплообменника оребрена и передача теплоты, в частности, от
поверхности солнечных абсорберов осложнена конденсацией или испарением
влаги. В этом случае с учетом приведенных выше зависимостей общий процесс
передачи полной теплоты между средами можно определить потоком теплоты
e = ^//cHacM./F. (4.7)
Здесь коэффициент передачи полной теплоты
где ф — показатель эффективности оребрения; аж — коэффициент теплообмена со стороны жид-
кости; 6, Л — толщины и коэффициенты теплопроводности соответственно стенки (ст) и пленки (пл)
жидкости на ее поверхности.
При отсутствии массообмена и оребрения приведенные уравнения превра-
щаются в обычные уравнения теплопередачи через стенку. По особенностям
процесса тепломассопереноса между обменивающимися средами можно раз-
личать три модели.
ТП-модель (теплопередача). Через разделяющую среду — оребренную стен-
ку — происходит передача только явной теплоты, не осложненная испарением
или конденсацией.
ТМП-модель (тепломассопередача). Передача теплоты через разделяющую
стенку осложнена, в отличие от ТП-модели, испарением или конденсацией (мас-
сообменом) на одной или обеих поверхностях.
Т МО-модель (тепломассообмен). Передача теплоты и массы происходит
при непосредственном контакте рабочих сред — жидкости и воздуха.
По признаку взаимного движения обменивающихся сред наиболее характер-
ными для аппаратов СКМ являются прямоточные, противоточные и перекрест-
ноточные модели.
Модели могут использовать расчетные схемы, основанные на линейной и не-
линейной аппроксимации. Ниже рассматриваются только установившиеся ре-
жимы для линейных моделей.
Предельные равновесные состояния сред в тепло-массообменных аппаратах
162
зависят только от начальных параметров и взаимного движения обмениваю-
щихся сред.
В ТП-модели при прямотоке для воздухожидкостного теплообменника тем-
пературы сред в предельном равновесном состоянии равны:
G с t + G с t
. _ _ж.жм.____В_В_В.Н
“ G с + G с
жж в в
(4-9)
При противотоке температуры воздуха /воо и жидкости /жоо в предельном
равновесном состоянии равны:
^в~ ^ж.н *
G с (4-Ю)
t =t + в в (t —t ).
Ж" Ж.Н С, С вн Ж.п
ж ж
В ТМО и ТМП-модели, например, для водовоздушного теплообменника при
прямотоке температура воды и воздуха в предельном равновесном состоянии
равна:
,вн + 4’18(Сж/Св)'жн-9’65 14 11)
_______Ж,_________-___ ^*+.1
00 ~ 1,79+ 4,18 G /6+0,0418/
Ж в ж.и
При противотоке в этих условиях энтальпия воздуха /воо и температура воды
/жоо в предельном равновесном состоянии равны:
в~ — ^ж.н’
(4-12)
Гж~ ~ ^ж.н + ~ ^в.н ~ !Ж.1? ’
°ж ж
Все теплообменники имеют конечные, ограниченные размеры поверхности
обмена, и параметры рабочих сред на выходе из них занимают некоторое проме-
жуточное положение между параметрами на входе и предельными равновес-
ными. Отсюда следует вывод о том, что процесс в тепломассообменниках можно
рассматривать как переходный, от неравновесного начального состояния сред
к некоторому промежуточному по отношению к предельному равновесному со-
стоянию на выходе из него. Для расчета теплообменников удобно пользоваться
безразмерным представлением параметров обменивающихся сред в виде отно-
сительных перепадов или относительных избыточных значений по отношению
к предельным равновесным. Так, безразмерная энтальпия воздуха 6/в для про-
извольного сечения теплообменника равна:
в
Значение © на входе равно 1, в предельном равновесном состоянии 0, в проме-
жуточном сечении, в том числе на выходе из теплообменника, © меньше 1, но
больше 0.
Применительно к теплообменным устройствам и аппаратам важен вопрос
выбора обобщенных показателей-критериев тепломассообменных процессов.
В теории теплопроводности таким обобщенным пространственно-временным
показателем является критерий Фурье. Для теплообменников обычно исполь-
зуют понятие «число единиц переноса» (например NTU). Покажем связь между
этими показателями и возможность использования критериев подобия как
обобщенных показателей процесса в теплообменниках.
Критерий Fo при решениях «внутренней» и «краевой» задач теплопрородно-
163
сти, имеющий смысл соотношения свойств теплопроводности и теплоемкости
тела, записывают в виде
Fo = а т/fl =Хт/ (cpl2) (4.14)
или в виде соотношения сосредоточенных термического сопротивления R и
теплоемкости с
Род = ( Л/Z) (Т/cpl) =т/ (Яс). (4.15)
Тогда уравнение теплопроводности в конечно-разностной записи или примени-
тельно к методу аналогий для RC-сеток будет выглядеть так:
2
Д/=РодД?’ (4-16)
где Бод приобретает смысл обобщенной пространственно-временной коорди-
наты процесса.
Для «внешней» задачи теплопроводности, когда В,=а//Х=/?//?п<0,1 и изме-
нение температуры тела зависит только от сопротивления теплообмену на
поверхности /?п и его теплоемкости с, обобщенным показателем процесса
является
т R 7
Fo =FoB, =------=------. (4 171
п 1 RcR cR v -1
П П
Если в условиях «внешней» задачи во времени т изменяется температура окру-
жающей тело среды или тело движется вдоль поверхности теплообмена, то опре-
деляющей становится теплоемкость потока массы тела Су, равная c\-=cli, и
обобщенным показателем процесса является
For = 7/(c/?n) = l/(crBn). (4.18)
Величина Fov. имея в виду, что Cy=cpL=cG и =1/аЕ (где G — расход по-
тока массы, a F—поверхность теплообмена), может быть также записана
в виде:
For = aF/ (cG) . (4.19)
Применительно к теплообменнику (при решении модели Лагранжа относитель-
но массы движущейся теплообменивающейся среды с расходом G и при соот-
ветствии а коэффициенту теплопередачи К на поверхности теплообмена F)
обобщенным показателем процесса становится модифицированный критерий
Fo в виде:
Fo=KF/(Gc). (4.20)
В основу рассмотренного выше взята движущаяся среда, которая обмени-
вается теплотой с поверхностью.
К аналогичному выводу можно подойти, начав рассмотрение и приняв за
основу теплообмен на поверхности движущейся среды.
Обобщенным показателем процесса теплообмена является критерий Nu,
Nu =al/X. (4.21)
Соотношение проводимости теплоты в среде и теплоемкости движущегося по-
тока этой среды определяет критерий Ре, равный
Ре = RePr = -----=-4---. (4.22)
V а А
164
В записи Nu и Ре показатели теплопроводности X, температуропроводности а
относятся к свойствам движущейся среды. Критерий Стентона St равен:
St = Nu/Pe (4.23)
и его можно представить в виде
St = Nu/RePr = (о//Л) [А / (cpwl) ] = a/cpw. (4.24)
Так как сопротивление теплообмену на поверхности /?„= 1/а, а теплоемкость
потока среды cv=cpw, то
St = l/(/?ncr) (4.25)
или
St = KF/ (Gc) . (4.26)
Таким образом, с разных исходных позиций получен общий результат, кото-
рый состоит в том, что для любого рода теплообменников обобщенным показа-
телем процесса является соотношение KF/Gc, представляющее модифициро-
ванный критерий Фурье Ро.или критерий Стентона St. Их значения полностью
соответствуют понятию числа единиц переноса NTIJ. Нетрудно показать, что
аналогичными рассуждениями могут быть получены соответствующие значения
Fo или St для условий массообмена, для условий передачи скрытой и явной,
т. е. полной теплоты.
На основе рассмотренных выше представлений напишем математическую
постановку задачи для тегТломассообменного устройства.
Воспользуемся общими уравнениями тепломассообмена для a-модели, без-
размерными параметрами и обобщенными показателями процесса в обменных
устройствах. Для простейшего случая ТП-модели при прямоточном движении
сред применительно к воздухожидкостному теплообменнику постановка будет
следующей.
Дифференциальное уравнение процесса для среды «воздух» в аппарате:
_ _^в__ = 0 JV 0 (4-27)
1 г-. /Г. и в
dt-o
в
Аналогично дифференциальное уравнение может быть записано относительно
среды «жидкость»
----£?ж__ = 0 + W е . (4.28)
с/К<>ж ж ж в
В уравнениях приняты обозначения:
F6 = KF I (Gc) ; Fo~- KFX/(G>>K);
(4-29)
W =G с /(G с ) W =G с /(G с ),
В В B,v ж ж7’ ж ж ж''в в7’
где Fx — площадь теплообменника- от входа до некоторого произвольного сечения, в котором
определяется 0.
Граничными условиями для решения дифференциальных уравнений явля-
ются условия
при Fo = 0 0 = 1, при Fo~>°° 0-^0. (4.30)
165
Решение дифференциальных уравнений с учетом граничных условий для
ТП-модели при прямотоке имеет вид
ев=еж=еХР[-рОв(1 + %)]- (4.31)
Для ТМП и ТМО-моделей при прямотоке постановка задачи совпадает с рас-
смотренной для ТП-модели. Особенность состоит в том, что искомой величиной
0 в уравнениях является относительная избыточная энтальпия, а определяю-
щие величины Foz и W включают коэффициент передачи полной теплоты Кь учи-
тывающий массообмен, и условную теплоемкость воздуха на линии насы-
щения снас.
Запись решения с учетом отмеченных особенностей совпадает с рассмотрен-
ным выше. Существенным отличием является необходимость определения вто-
рого параметра, например, температуры или влагосодержания. Для этого при-
ходится рассматривать составленные аналогичным образом уравнения обмена
явной теплотой или массообмена.
При противоточной схеме движения теплообменивающихся сред особен-
ность написания исходных дифференциальных уравнений (по сравнению с рас-
смотренными) состоит в том, что перед правой частью второго уравнения меня-
ется знак. Перекрестные схемы с перемешивающимися потоками отличаются
тем, что задача является двухмерной, так как и одна и другая среда меняют
свои параметры по двум координатам. В результате процесс описывается диф-
ференциальными уравнениями в частных производных.
Как показано в работе [1], большое разнообразие существующих тепломас-
сообменных устройств удается привести к рассмотренным классификациям, по-
становке и решениям задачи. По предлагаемому методу составлен алгоритм
расчета на ЭВМ системы солнечного отопления и горячего водоснабжения на
основе солнечных абсорберов и теплового насоса.
4.4. Основы построения теории эффективности
и надежности систем кондиционирования микроклимата
Б. Н. Богословский, С. Г. Булкин
Теория эффективности и надежности сложных систем интенсивно разви-
вается для обеспечения новейших направлений техники. Однако полная теория
разработана только для простых и отдельных сложных систем. Общей теории
эффективности и надежности сложных систем, к которым относятся СКМ, с пе-
ременными режимами и некоторыми допустимыми отклонениями в работе в на-
стоящее время нет.
В теории надежности приняты основные понятия эффективности качества,
надежности, определения которых очень близки и во многих случаях даже со-
впадают. Для многих систем такое совпадение соответствует их природе и не
имеет принципиального значения. Для СКМ это не так, поэтому прежде всего
для них необходимо ввести и определить основные понятия, принимая во вни-
мание некоторые из уже сложившихся определений.
К основным понятиям для СКМ, по нашему мнению, следует отнести эффек-
тивность и дополняющие ее понятия надежности, обеспеченности и устойчи-
вости.
Эффективность СКМ — свойство системы выполнять заданные функции
в течение требуемого промежутка времени, сохраняя свои эксплуатационные
показатели в заданных пределах (т. е. в заданном объеме при определенных
условиях работы).
Надежность СКМ — свойства технических устройств и элементов системы
166
непрерывно сохранять работоспособность в заданном режиме при определен-
ных условиях функционирования.
Обеспеченность СКМ — показатель расчетного выдерживания системой
заданных условий в помещении и допустимых отклонений от них (т.е. в задан-
ном объеме и определенных условиях функционирования).
Устойчивость СКМ — свойство системы непрерывно сохранять допустимые
отклонения в работе ее отдельных частей и элементов, в том числе в режиме
управления в определенных условиях функционирования.
Такие категории системы, как безотказность, долговечность, ремонтопригод-
ность являются составляющими свойства надежности в принятом определении.
Категории системы — режимная управляемость, живучесть, устойчивоспособ-
ность — относятся к свойству устойчивости системы. Характеристики работо-
способности, неработоспособности и др., определяющие рабочее состояние
СКМ, могут в различных ситуациях определять свойство надежности, обеспе-
ченности, устойчивости.
В связи со сложностью и разветвленностью системы энергоснабжения зда-
ний (см. рис. 4.1) в ней неизбежны отказы (постепенные, внезапные, переме-
жающиеся, частичные и полные). Отказы в системе могут быть вызваны сле-
дующими причинами: схемно-конструктивными (проектными, расчетными);
производственно-технологическими (брак изделий, изготовления и монтажа);
эксплуатационными (неправильное, небрежное обслуживание, ситуационные).
В связи с этим предлагаются следующие пути повышения эффективности:
оптимизация схемно-конструктивных решений с учетом необходимой обеспечен-
ности и устойчивости, повышение долговечности и надежности отдельных эле-
ментов, узлов систем, улучшение эксплуатации. Любой отказ связан с бесполез-
ными потерями энергии и с затратами энергии на изготовление нового и замену
вышедшего из строя узла, элемента или системы.
Важным является вопрос о выборе критериев—показателей эффективности,
надежности, обеспеченности и устойчивости. В теории сложных систем выде-
ляют два вида обобщенных критериев. Первый характеризует ее внутренние
свойства и структуру, т. е. ее потенциальные возможности. Второй характери-
зует ее в процессе функционирования, при достижении поставленной цели. Пер-
вый и второй критерии должны быть по существу различными градациями неко-
торого общего функционала эффективности. За обобщенные критерии целе-
сообразно принимать вероятностные показатели, но следует иметь в виду, что
в некоторых случаях они должны быть не только вероятностными, но и детерми-
нированными.
Исходя из того, что эффективность отдельных элементов, а также системы
в целом изменяется во времени, показатели эффективности по временному при-
знаку могут быть мгновенными и срочными (для расчетных условий, за норма-
тивный срок окупаемости и за весь период эксплуатации).
Учитывая, что решаемая задача связана с экономией энергии при строитель-
стве и эксплуатации зданий, в рассмотрение эффективности отдельных элемен-
тов, процессов и системы в целом могут быть введены следующие показатели:
показатель термодинамического или термического совершенства
’?=ер/Ящ. (4.32)
где <2р — энергия, получаемая в реальном процессе; <2„д — энергия, получаемая в идеальном про-
цессе-эталоне;
показатель использования энергии
r] = Qp/N (433)
где N—энергия, затрачиваемая при производстве (электрическая, механическая мощность).
167
Приведенные выше показатели дают представление о степени термодинами-
ческого совершенства процесса и не могут служить основанием для принятия
технического решения, для этого обычно служат приведенные затраты, учиты-
вающие капитальные вложения и эксплуатационные расходы. Однако в усло-
виях возрастающего дефицита органического топлива прейскурантные цены на
тепловую, электрическую и другие виды энергии не всегда отражают их факти-
ческую ценность. Поэтому наряду с приведенными затратами рассматривают
термоэкономические показатели:
показатель расхода материала
Ч=Л//СТ.М, (4.34)
где М— масса материала (например металла), израсходованная на изготовление аппарата или
системы; QT„ —тепловая мощность аппарата или системы;
показатель использования вторичных энергоресурсов
^р/^эр- <4-35)
где QBip — исходная тепловая мощность вторичных энергоресурсов;
тепловая характеристика здания — показатель совершенства объемно-пла-
нировочных и конструктивных решений здания
” = ^д/1/зд’ (4-36)
где — теплопотребление здания; Узд — объем здания;
показатель использования энергии
T]=Q3Rl(MQHp), (4.37)
где (?3д — общее энергопотребление здания; AfQp— максимально возможное количество энергии,
получаемое при сжигании (органического) топлива для удовлетворения энергопотребностей здания.
Последний показатель может использоваться как наряду с приведенными
затратами, так и выступать самостоятельным критерием. В этом случае он рас-
сматривается за весь срок эксплуатации здания, а общее энергопотребление
здания должно включать (см. рис. 4.1) энергию, пошедшую на добычу и произ-
водство строительных материалов, изделий из них, на их транспорт и монтаж,
энергию, пошедшую на добычу материалов, транспорт и монтаж систем инже-
нерного оборудования зданий, а также энергию на их привод и теплообеспече-
ние. Затраты людского труда также в конечном итоге могут быть выражены
в виде энергии.
Такое рассмотрение позволяет отказаться от абстрактного оценочного этало-
на и перейти к оценке совершенства процесса или системы мерой энергии, являю-
щейся действительным источником всех процессов и активной деятельности
человека в народном хозяйстве, что наиболее полно отвечает физической основе
явлений. Так, для здания
(«8)
где Q„ — энергия, затраченная на добычу и производство строительных материалов, транспорт и
монтаж из них; <2тр — энергия, затраченная на транспорт и монтаж сырья, строительных материа-
лов, материалов и элементов здания и систем инженерного оборудования, с учетом отказов и замены
отдельных элементов за срок эксплуатации здания; фт — энергия, затраченная на тепло- и холодо-
снабжение и привод электродвигателей систем ОВ, КВ и ГВ; Qq — энергия, затраченная на освеще-
ние зданий: Q„ — энергозатраты труда.
Затраты энергии на производство различных материалов приведены
в табл. 4.3.
168
Расход энергии на производство различных материалов [11] приведен ниже.
Материал
Расход
энергии
кВт- ч/кг
Алюминий 82
Сталь . 12,25
Стекло . . 6,1
Пенополиуретан . 7,5
Таблица 4.3. Расход энергии на производство теплоизоляционных
строительных материалов |12|
Конструкция Толщина стены, м Масса 1 м2 стены, кг Удельные расходы Удельная энерго- емкость, кг у.т./м3
условного топлива, кг электро- энергии, кВт • ч тепловой энергии, кДж- 103
Аглопоритобетонная па- нель плотностью 1300 кг/м3 0.35 450 67 37 544,7 105
Керамзитобетонная па- нель плотностью 1000 кг/м3 Кирпичная стена: 0,30 330 65 35 502,8 101
глиняного полноте- лого кирпича 0,64 1175 68 24 — 77
глиняного эффектив- ного кирпича 0,51 700 45 20 52
из полнотелого сили- катного кирпича 0,64 1280 28 14 456,7 54
Трехслойная железобе- тонная панель с минера- ловатным утеплителем 0,25 480 23 22 419,0 50
Панель из ячеистого бето- на плотностью 700 кг/м3 0,25 175 21 20 379,7 46
Стена из ячеистых блоков Кирпичная стена: 0,30 175 18 23 460,9 47
из эффективных кера- мических камней 0,38 450 32 21 — 40
из эффективных сили- катных камней Стена: 0,51 700 15 10 356,1 40
из гипсоизвестково- шлакового бетона 0,45 590 23 37 — 36
из гипсокерамзито- бетоиа 0,35 460 30 27 — 43
4.5. Расчет и обобщение тепловых характеристик систем
солнечного теплоснабжения зданий для южных районов СССР
С. И. Смирнов, Б. В. Тарнижевский
Расчет систем солнечного теплоснабжения достаточно сложен. К тому же не
для всех пунктов, где можно использовать эти системы, имеются необходимые
метеорологические наблюдения, служащие основой этих расчетов. Поэтому
очень важно создать метод, позволяющий свести к минимуму исходную клима-
тическую информацию и упростить расчеты. Ранее нами был изложен метод
обобщенного расчета основных параметров систем солнечного горячего водо-
снабжения [13]; создание подобного метода возможно и для систем солнечного
теплоснабжения, сочетающих отопление зданий и горячее водоснабжение.
Из принципиальной схемы теплоснабжения дома (рис. 4.15) видно, что пред-
метом расчета является воздушная система отопления, позволяющая использо-
169
вать для отопления теплоту относительно невысокого потенциала. Расчет ука-
занной системы солнечного теплоснабжения проводился с помощью полуэмпи-
рического f-метода [14] для более чем 70 пунктов территории СССР, располо-
женных в Казахстане, Средней Азии, Закавказье, Украине, южных районах ев-
ропейской части РСФСР.
Расчеты проводились при следующих исходных условиях: температура воз-
духа в отапливаемом помещении /о=18° С; удельный расход антифриза в кон-
туре солнечного коллектора 50 кг/(м2- ч);
эффективность теплообменника первого контура е(=0,7;
удельная емкость водяного аккумулятора Уд = 75 л/м2;
суточная нагрузка горячего водоснабжения здания в расчете на 1 м2 жилой
площади 1=517 Вт- ч, что соответствует суточному потреблению горячей воды
100 л/чел., разности температур горячей и холодной воды 40° С и норме жилой
площади 9 м2 на 1 чел.;
ориентация солнечного коллектора — южная при угле наклона <р-|- 15° (где
<р — широта местности);
массовые расходы антифриза и воды в теплообменнике первого контура оди-
наковы;
для водовоздушного теплообменника выполняется условие
e2Cmin/^>2. (<39)
где Ег — эффективность водовоздушного теплообменника,
Cmin — меньший из водяных эквивалентов в нем, л и V — удельные тепловые потери и объем здания.
Таблица 4.4. Тепловые характеристики
солнечных коллекторов
Параметры Тип коллектора (/V)
/V-I /VII /VIII
двойное остекление, неселектнв- ная по- глощаю- щая по- верхность одинарное остекление, селектив- ная погло- щающая поверх- ность двойное остекление, селектив- ная погло- щающая поверх- ность
Общий коэффи- циент потерь (7/, Вт/(м2- °C) 4,4 4,3 3,1
Поглощатель- ная способность теплоприемной поверхности а 0,95 0,9 0,9
Степень черно- ты поглощаю- щей поверхно- сти е 0,95 0,1 0,1
Пропускатель- иая способность остекления в солнечном спектре при нормальном па- дении лучей тп 0,72 0,86 0.72
Коэффициент эффективности переноса тепло- ты от погло- щающей пла- 0,95 0,95 0,95
стины к тепло-
носителю (ан-
тифризу) F'
Расчеты проводились для трех ти-
пов солнечных коллекторов, основ-
ные характеристики которых приве-
дены в табл. 4.4.
Основными параметрами системы
солнечного теплоснабжения, подле-
жащими определению, являются
удельная (в расчете на 1 м2 сол-
нечного коллектора) годовая тепло-
производительность q и годовой
коэффициент замещения тепловой
нагрузки отопления и горячего водо-
снабжения f (т.е. доля суммарной на-
грузки, обеспечиваемой за счет сол-
нечной энергии). Искомые величины
являютсся функциями ряда пара-
метров:
Ср Di > N> FIS> r’ (4-40)
где Q,; D, — соответственно средние месячные
суммы суммарной и рассеянной солнечной ра-
диации, поступающей на горизонтальную
поверхность для всех 12 месяцев годового
цикла; tt,., — среднемесячная температура воз-
духа; q> — географическая широта мест-
ности.
/
Эти величины являются пара-
метрами данного географического
пункта, где предполагается реали-
зовать систему солнечного тепло-
снабжения.
170
Остальные параметры: М — тип коллектора (см. табл. 4.4); F/S — отноше-
ние площади коллектора к отапливаемой площади дома.
Параметр г определяется выражением
г = (24X + A-pBCpB)rzo//5, (4.41)
где числитель — суточная нагрузка отопления при нулевой температуре наружного воздуха (К —
суточная кратность обмена воздуха в помещении), а знаменатель — суточная нагрузка горячего во-
доснабжения.
При заданных значениях площади здания, кратности обмена воздуха и су-
точной нагрузки горячего водоснабжения г будет тем больше, чем больше X, т. е.
удельные тепловые потери дома. Таким образом, г можно рассматривать как ха-
рактеристику теплоизолирующих свойств зданий. Рост г соответствует увеличе-
нию тепловых потерь. Реальные значения г лежат в пределах 1—3. Так, при Х=
= 0,75 Вт/(м3- град),А=Зсут ', V/S=2,8 м и /=517 Вт-ч/(м2- сут), г= 1,85.
Расчеты искомых величин q и f проводились на ЭВМ ЕЭС-1033 по f-методу
[21] для более чем 70 пунктов СССР с использованием среднемесячных значе-
ний Qi, Di, tb,i при значениях исходных параметров F/S=0,25; 0,5; 0,75; r= 1; 2; 3
и для указанных в табл. 4.4. трех типов коллекторов. В результате для каждого
из пунктов получено 27 значений q и f при различных сочетаниях исходных пара-
метров.
На рис. 4.16 приведена зависимость f от параметра F/S для трех географиче-
ских пунктов, различных по широте и климатическим условиям, и для трех рас-
сматриваемых типов солнечного коллектора. Как следует из рисунка, климати-
ческие условия существенным образом влияют на величину f, характер же зави-
симости f от F/S для всех пунктов одинаков. Видно также, что наиболее эффек-
тивным во всех случаях является солнечный коллектор II типа, наименее эффек-
тивным — I типа. Применение двойного остекления для селективного коллекто-
ра с указанными в табл. 4.4 характеристиками (III тип) нецелесообразно.
На рис. 4.17 для одного из пунктов (Астрахань) и I типа коллектора показа-
на зависимость f и q от F/S и г. Как видно, с ростом F/S удельная теплопроизво-
дительность q снижается, а коэффициент замещения f возрастает. Зависимость
q и f от г также различна. При фиксированном значении F/S q слабо зависит от
г. Коэффициент же замещения f, напротив, существенно снижается с ростом г.
Если же поставить условием обеспечение заданного значения f при различ-
ных величинах г, то этого можно добиться только при существенной разнице
в площади коллекторов и, как следствие, удельной теплопроизводительности.
Так, например, из рис. 4.19 следует, что при /=0,5 величина параметра F/S при
r= 1, 2 и 3 составит соответственно 0,31; 0,49; 0,75, а величина q будет при этом
430, 350 и 280 кВт- ч/(м2- год).
При прочих равных условиях наибольшие значения f и q могут быть достиг-
нуты при г=0, т. е. при обеспечении нагрузки только горячего водоснабжения.
В табл. 4.5 для некоторых пунктов и I типа коллектора даны величины удель-
ной годовой теплопроизводительности в зависимости от г.
Таблица 4.5. Удельная годовая теплопроизводительность
Пункт Широта, град. Приход суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность кВт- ч/(м2- год) Удельная теплопроизводительность q. кВт- ч/(м2- год) при /=0.5 и
г=3 2 Г=[ г=0 (по дан- ным |13]
Ашхабад 37,6 1724 540 610 670 780
Ташкент 41,2 1621 450 525 610 720
Махачкала 43,0 1358 230 310 380 500
Астрахань 46,3 1377 280 350 430 540
Кустанай 53.1 1223 240 280 360 430
171
Полученные расчетные величины годового коэффициента замещения нагруз-
ки f хорошо аппроксимируются линейной зависимостью от годового прихода
суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность.
На рис. 4.18 в качестве примера показана зависимость f от Q для случая кол-
лекторов II типа F/S=0,5 и г— I. Как видно, расчетные точки группируются до-
статочно плотно относительно аппроксимирующей прямой. Анализ 27 таких за-
висимостей для различных сочетаний исходных параметров N, F/S и г показал,
что из общего числа 1755 расчетных точек разброс 60% из них не превышает 5%
разброс 97% точек не превышает 15%.
Линейная аппроксимация зависимости f от Q может быть выражена уравне-
нием вида
f = a + b(Q- 1000), (4.42)
в котором коэффициенты а и Ь являются квадратичными функциями F/S и г.
а = + т^г + гау2) + (m4 + т5 + m^r2) (F/S) + {т1 + m&r + my2) (F/S)2 ;
b= (nt + n2r + n3r2) + («4 + nsr + нбг2 ) (F/S) + (h7 + n^r + ty2) {F/S}2 (4.43)
Вычисленные значения m, и n, приведены в табл. 4.6 и 4.7 для различных ти-
пов солнечного коллектора.
Таблица 4.6. Значения т,
N ГЛ % ГПа /«5 mG т- тц
I 0,03 —0,045 0,015 1,40 — 40 0,02 0,80 0,24 0,00
И 0,06 —0,105 0,025 1.50 -0.15 -0,03 —0,88 0,04 0,04
III -0,22 0,235 —0,075 2,54 -1,51 0,39 — 1,84 1,32 —0,36
Таблица 4.7. Значения п.
N И1 П2 Пз Па «5 пь И? «8 ng
I 520 — 245 35 80 920 —200 — 160 —640 160
II 700 — 290 50 80 390 -90 —640 280 —40
111 1030 — 715 185 —2060 2630 — 770 1840 —2200 680
Для некоторых из рассмотренных в расчете географических пунктов зависи-
мость (4.42) не соблюдается, для них значения лежат выше прямой (4.42) на
0,1—0,2. Это относится к пунктам, расположенным в западной части Закав-
казья, главным образом, в Грузии (Тбилиси, Палка, Сухуми, Цхакая, Сочи
и др.), а также на южном берегу Крыма (Никитский сад). Более высокие рас-
четные значения коэффициента замещения для указанных пунктов объясняются
более высокой температурой воздуха зимой по сравнению с другими пунктами,
в которых имеют место те же величины годового прихода радиации.
172
Таким образом, на основе зависимости (4.42) для большинства районов юж-
ной части СССР, располагая только величинами годового прихода суммарной
солнечной радиации и заданной нагрузки, можно определить годовой коэффи-
циент замещения, что необходимо в практике проектирования, а также для пред-
проектных расчетов для определения основных технико-экономических характе-
ристик предполагаемой к созданию системы солнечного теплоснабжения того
или иного объекта.
Предложенный метод расчета рекомендуется к использованию также в тех
случаях, когда по данному пункту отсутствует климатическая информация, не-
обходимая для всех других методов расчета, включая и использованный в на-
стоящей работе f-метод.
Список литературы
1. Богословский В. Н., Поз М. Я. Теплофизика аппаратов утилизации тепла системы отопления, вен-
тиляции и кондиционирования воздуха. — М.: Стройиздат, 1983, 320 с.
2. Lippold Н. Trogisch J., Friedrich Н. Wissensspeicher. Solartechnik. VEB Fachbuchverlag, Leipzig,
1984, 324 s.
3. Рабинович M., Турий К., Хоменко А. Опыт монтажа гелиосистем на сельских объектах. — Сель-
ское строительство, 1983, № 1.
4. Насонов Е. А. Обобщить опыт экспериментального проектирования и строительства жилых и об-
щественных зданий с системами гелиотеплохолодоснабжения в различных районах страны и под-
готовить задания на разработку типовых проектов и проектов повторного применения/ТашЗНИИЭП
(Отчет 1983 г.)
5. Булкии С. Г., Плешка М. С. Определение теплотехнических характеристик солнечных абсорберов/
Сб. тр. МИСИ, 1984, № 189
6. Bulkin S. Untersuchung der Stoff-und Warmeubertragungsvorgangen an Solarabsorbern. Dis-
sertation TU Dresden 1981, 120 s.
7. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. - М._ Энергоиздат, 1982.
8. Haubler W. Entwickiungsstand und Einsatzmoghchkeiten der Warmepumpe. VI. Warmetechnis-
cher Tagung, Teil I, Warmepumpen, K-M-Stadt, 1978, s. 6—18.
9. Zold A. Incorporated heat storage system — 7th International Congress of Heating and Air Condit-
tioning «Ciima 2000» Budapest, 1980.
10. Даффи Дж. А., Бекман У. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. — М.:
Мир, 1977.
11. Erdman Р. Heisst die kemmende technisehe Revolution-Sennenenergie. Heizung und Luftung 1,
1983.
12. Воробьев X. С., Буданов Б. Ф. Резервы экономии топливно-энергетических ресурсов. — Строи-
тельные материалы. 1981, № 1. — с. 4—6.
13. Л. В. Авдеева, С. И. Смирнов, Б. В. Тарнижевский, О. Ю. Чебуиькова. Расчет теплопроизводи-
тельности систем солнечного горячего водоснабжения для южных районов СССР. — Гелиотехника.
1983, № 3. - с. 39 42.
14. У. Бекман, С. Клейн, Дж. Даффи. Расчет систем солнечного теплоснабжения. Пер. с англ. — М.:
Энергоиздат, 1982.
173
5. АРХИТЕКТУРА ЭНЕРГОАКТИВНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ
ЗДАНИЙ И КОМПЛЕКСОВ
5.1. Архитектурные и энергетические начала
разработки многофункциональных гелиокомплексов
В. В. Захаров
Одно из первых упоминаний о солнечной энергии относится к XV в. до нашей
эры. Внутри статуи египетского фараона Аменхотепа III помещалась система
воздушных и водяных камер, заставляющая лучи восходящего солнца приво-
дить в действие спрятанный там музыкальный инструмент. В Каирском музее
хранится барельеф, выполненный примерно в 1370 г. до н. э. На этом барельефе
изображены фараоны Эхнатон и его супруга Нефертити, поклоняющиеся сол-
нечному диску Атону, который благословляет их своими животворными лучами
(рис. 5.1).
Энергетический кризис заставил вновь обратиться к заманчивой идее ис-
пользования неисчерпаемой солнечной энергии. Привлекательность идеи ис-
пользования солнечной энергии, кажущаяся простота и неограниченность ее
источника создают иллюзию возможности немедленной реализации этой идеи.
В действительности проблема солнечной энергетики достаточно сложна и
требует комплексного подхода. Несмотря на то, что значительная часть терри-
тории СССР расположена на довольно высоких широтах, обширные районы на-
шей страны по своим климатическим характеристикам благоприятны для актив-
ного использования солнечной энергии. К таким районам относятся Средняя
Азия, Казахстан, Закавказье, Северный Кавказ, нижнее Поволжье, Молдавия,
юг Украины, Приморский край. Это не означает, что остальная территория не
пригодна для строительства энергоактивных объектов, просто там задачи сол-
нечной энергии решаются по-другому. При комплексном подходе к проектиро-
ванию можно получать разнообразные решения объектов и целых градострои-
тельных образований, отвечающих современным техническим и эстетическим
требованиям. Техника использования солнечной энергии — гелиотехника —
базируется на общих фундаментальных законах природы, широко используя
достижения разных отраслей современной науки.
Качественный скачок в проектировании и строительстве солнечных объектов
должен последовать после накопления достаточного числа экспериментальных
разработок и успешной эксплуатации относительно небольших энергоактивных
зданий. В Советском Союзе и ряде других стран возводятся или вступили в строй
первые солнечные электростанции (СЭС). Следующая ступень в развитии сол-
нечных объектов состоит в разработке гелиопоселков и гелиокомплексов, а в
перспективе — многофункциональных гелиокомплексов, где реализуется прин-
цип перераспределения энергии между объектами при объединении всех гелио-
установок в одну энергосистему или солнечная энергия непосредственно участ-
вует в технологическом процессе.
Для решения вопросов архитектурного формирования многофункциональ-
ных гелиокомплексов необходимо:
обобщить современный опыт архитектурного проектирования энергоактив-
ных зданий и гелиокомплексов;
вывести общие закономерности в построении объемно-планировочных струк-
тур этих зданий и комплексов;
выявить объемно-планировочные параметры и конструктивные решения,
наиболее отвечающие требованиям технологии, и исследовать их с точки зрения
перспектив применения;
выявить пластические особенности и возможности создания архитектурного
образа.
174
Основная задача заключается в определении принципов архитектурного ре-
шения таких зданий и комплексов для различных природно-климатических
условий.
Объемно-планировочная структура энергоактивных объектов в основном
соответствует функциональной структуре, но в то же время она должна играть
самостоятельную роль в архитектурном решении. К основным архитектурно-
строительным факторам традиционно относятся следующие:
выявление объемно-планировочных параметров, разработка габаритных
схем и создание на этой основе типовых решений;
четкое зонирование групп подразделений, позволяющее добиться более эко-
номичного и технологически правильного решения;
унификация и стандартизация элементов конструкции;
рациональная организация сетей инженерного обеспечения;
применение эффективных современных материалов и конструкций, улучшаю-
щих эксплуатационные качества.
При типизации зданий и сооружений гелиокомплекса в целом или его со-
ставляющих возникает задача проектирования с такой степенью гибкости, кото-
рая обеспечивала бы разнообразие архитектурных решений. При этом предъяв-
ляются два противоречивых требования относительно гибкости проектирования
этих комплексов. С одной стороны — требование вариантности состава и гра-
достроительной маневренности, с другой — гибкости внутренней структуры,
обеспечивающей возможность изменения назначения подразделений, развития
одних функций за счет других, видоизменения пространства интерьеров. Один
из возможных путей решения этого противоречия — методика вариантного про-
ектирования с использованием функционально-планировочных элементов, осно-
ванная на сочетании типового и индивидуального проектирования.
Комплекс может строиться как единовременно, так и по этапам. При варьи-
ровании общей композиции гелиоцентра необходимо обеспечивать, как и в обыч-
ных комплексах, архитектурную целостность объемов, фасадов и интерьеров
комплекса и зданий, в том числе и на каждом этапе его возведения. Единству
архитектурно-планировочного решения должно способствовать общее свобод-
ное коммуникационное пространство, объединяющее элементы в целостный ком-
плекс. Многофункциональный гелиокомплекс особенно сложен и многообразен
по своей функциональной организации и технологии.
Совершенствование проектирования предполагается в направлении индиви-
дуализации общего архитектурного решения комплекса, более гибкого и все-
стороннего учета конкретных условий строительства: градостроительной ситу-
ации, природно-климатических условий, строительной базы, окружающей сре-
ды, создания образа многофункционального научно-производственного гелио-
комплекса.
В настоящее время все острее возникает потребность в большей увязке каж-
дого строящегося комплекса с местными многообразными условиями и, следова-
тельно, в разнообразии их архитектурных решений.
В социальном аспекте архитектура в значительной степени ослабила связи
с национальными, эстетическими, демографическими традициями и требования-
ми, которые на протяжении тысячелетий определились конкретными климатиче-
скими условиями и духовными потребностями человека. Если внимательно про-
анализировать исторический, опыт формирования народного жилища, выявить
последовательность и законы этого процесса, влияние природно-климатических
условий на формирование традиционных типов народного жилища, можно убе-
диться, что творения, например, древнерусских зодчих создавались с учетом
законов энергоактивности. Народные постройки восхищали и восхищают нас
на редкость гармоничными соотношениями своих частей, логичностью архитек-
турного замысла, сочетанием комплекса функциональных требований к объекту
с естественной красотой его форм.
175
Архитектура энергоактивных зданий и комплексов — это создание среды
обитания и трудовой деятельности в новых гелиодомах и технологических гелио-
комплексах, построенных с учетом природно-климатических условий и регио-
нальных традиций народного зодчества. Энергоактивные здания и гелиокомп-
лексы, в которых потенциал пластической разработки заложен в самом кон-
структивном решении, можно рассматривать как конкретное воплощение орга-
нического синтеза утилитарного и эстетического.
На смену экспериментальному проектированию и строительству солнечных
зданий пришло время тщательного анализа уже осуществленных и будущих
разработок. Энергоактивные гелиосистемы должны рассматриваться в тесной
связи с архитектурно-планировочными и конструктивными решениями самих
зданий. Необходим поиск нового подхода к методу работы с архитектурным про-
странством под углом зрения энергетических функций зданий или комплексов.
5.2. Комплексное решение задач при проектировании
многофункционального гелиокомплекса «Сатурн»
В. В. Захаров
Многофункциональные промышленные предприятия имеют ряд особенно-
стей. которые значительно усложняют формирование ансамбля. В отличие от
ансамблей жилых и общественных зданий, которые состоят из композиционно
связанных между собой объектов, сохраняющих, однако, внутреннюю завершен-
ность и независимость, промышленное предприятие представляет собою систе-
му, каждый элемент которой — лишь звено в технологической цепи. Производ-
ственный процесс имеет заранее определенные компоненты: здания основного и
вспомогательного назначения, административно-бытовые и складские здания,
сооружения инженерных служб. Более того, направление грузопотоков, соци-
альная и техническая инфраструктура, а также проблемы, связанные с гелио-
энергетикой предприятия, диктуют определенную последовательность и взаим-
ное расположение объектов. Чем ярче выражена функциональная взаимосвязь
элементов многофункционального промышленного комплекса, тем легче он
воспринимается как единое целое.
Однако архитектурная организация всего комплекса застройки предприя-
тия осложняется тем, что элементы многофункциональных промышленных ге-
лиокомплексов очень разномасштабны и разнохарактерны. Здесь и крупно-
масштабные по площади производственные подразделения, и схожие по архи-
тектуре с гражданскими административно-бытовые здания, и разнообразные
по силуэту, форме и размерам инженерные сооружения и гелиосооружения: кон-
центраты, гелиостаты, солнечные батареи, высотные сооружения с парогенера-
торами и др.
Обеспечение архитектурного единства застройки, состоящей из многооб-
разных, подчас трудно сочетаемых объектов, — одна из главных проблем при
формировании промышленного ансамбля многофункционального характера.
При проектировании гелиокомплексов с разнородными и разнообразными по
назначению и планировке сооружениями требуется также привязка к при-
родно-климатическим условиям района строительства. Архитектор должен быть
объединяющим и организующим началом — «композитором» и «дирижером».
В тех случаях, когда разнообразие свойств элементов застройки гелиокомплекса
положено в основу архитектурно-художественного замысла, создаются пред-
посылки для формирования выразительного, гармоничного ансамбля.
Примером, иллюстрирующим это положение, может служить проект пер-
спективного научно-производственного типового гелиокомплекса «Сатурн»
(рис. 5.2), отмеченный дипломом СА СССР на III Всесоюзном конкурсе на
176
5.1. Барельеф, выполненный в 1370 г. до н. э.
Фараон Эхнатон и его супруга Нефертити по-
клоняются богу солнца Атони
Рис. 5.3. Основная зона комплекса «Сатурн»
Рис. 5.2. Общий вид гелиокомплекса «Са-
турн» (макет)
\п
лучший проект года (руков. автор, коллектива архит. В. В. Захаров). В проекте
определены роль и место каждого компонента, благодаря чему они в сочетании
повышают «ценность» друг друга и развивают общую композиционную идею.
Благодаря дифференциации компонентов по их свойствам и назначению в ан-
самбле образовалась система, на основе которой может строиться множество
разнообразных композиций. Это особенно важно при формировании крупных
многофункциональных многообъектных гелиокомплексов, в застройке которых
достичь ансамблевости наиболее трудно.
Гелиокомплекс «Сатурн» состоит из двух функциональных зон — зоны
основных зданий и зоны вспомогательных зданий и сооружений. Основная зона
решена в центрической композиции, в которую входят семь корпусов, распо-
ложенных по окружности. В центральной части образуется внутреннее откры-
тое пространство, в геометрическом центре которого расположен рекреацион-
ный блок с конференц-залом, объединенный по оси симметрии с административ-
ным блоком, к которому примыкает крытая автостоянка. Каждый из семи кор-
пусов представляет собой самостоятельный блок, функционально связанный со
всеми другими (рис. 5.3).
Вспомогательная зона включает производственные, гелиоэнергетические,
хозяйственные, складские и другие объекты, объединенные системой инженер-
ных коммуникаций, сгруппированные на прямоугольном участке, ось симметрии
которого является продолжением оси осимметрии основной зоны.
Цель архитектурно-строительной части проекта — повышение надежности,
улучшение основных эксплуатационных качеств, повышение экономичности за
счет снижения энергетических нагрузок от внешних воздействий на системы и
объекты комплекса, повышение их пространственной жесткости и сейсмостой-
кости. Кроме того, одной из задач проектирования было стремление соединить
в общем композиционном решении функционально разные, но взаимосвязанные
сооружения, создать образ многофункционального научно-производственного
гелиоцентра.
Часть объемов основной зоны комплекса выполнена встречно-наклонными.
Блоки изогнуты в плане по дугам окружности разного радиуса и концентрично
размешены в противоположных секторах условного круга. Аналогично встреч-
но-накдонными выполнены спаренные блоки, имеющие протяженную прямо-
угольную конфигурацию в плане. Основной несущий элемент каркаса встречно-
наклонных блоков, как прямолинейных, так и искривленных по дугам в плане,
изготовлен в виде жестких рам, конфигурация надземной части которых имеет
вид параллелограмма с наклонными боковыми гранями и горизонтальными
основаниями. Рамы концентрически изогнутых блоков комплекса' размещены
в вертикальных радиальных плоскостях, ориентированных к центру, а рамы всех
блоков в уровне горизонтальных ригелей связаны жесткими дисками. Между
встречно-наклонными блоками образована относительно затененная зона с пе-
ременным затенением горизонтальной площадки между блоками и постоянным
затенением в летний период встречно-наклонных граней блоков (рис. 5.4, 5.5).
Здесь можно говорить об интегрированном использовании конструкций. Они
выполняют несущие, солнцезащитные и ограждающие функции, что позволяет
превратить их в основной композиционной элемент фасада и укрупнить масш-
табное решение этих относительно небольших зданий. Основной материал несу-
щих конструкций — монолитный железобетон. Одна сторона наружного ограж-
дения блоков внешней окружности и одна сторона наружного ограждения внут-
ренней окружности условного круга снабжены солнцезащитой, включающей
несущую конструкцию и прикрепленные к ней экраны. Относительно малый соб-
ственный вес системы дал возможность крепить ее на расстоянии от фасада
здания, что создает вертикальный проветривающий воздушный поток, исклю-
чающий передачу горизонтального теплового потока от солнцезащитного
устройства к зданию. С целью повышения энергетической эффективности панели
178
Рис. 5.5. Главный вход комплекса
179
экранов могут быть снабжены солнцезащитой в виде дискретно-прерывистых
или сплошных экранов, которые в свою очередь могут быть снабжены отражате-
лями, коллекторами солнечной энергии или солнечными батареями с фотоэлек-
трическими или другими преобразователями лучистой энергии солнца и сообще-
ны по энергоносителю между собой, с потребителем или с аккумулятором
энергии.
Центральный блок выполнен с каркасом в виде пространственной четырех-
ветвевой рамы, ветви которой соответствуют ребрам условной четырехгранной
пирамиды, жестко связаны друг с другом в вершине, жестко защемлены в осно-
вании и раскреплены по высоте двумя горизонтально ориентированными диска-
ми (рис. 5.6).
Для оптимизации микроклимата на площадке между блоками комплекса
и улучшения условий проветривания пространства, окружающего блоки, ком-
плекс ориентирован осью, проходящей через плоскость симметрии наружного
блока внешней окружности и центра, в направлении, совпадающем с направле-
нием наиболее интенсивных ветров в расчетный период, т. е. вдоль наиболее на-
груженного направления зимней розы ветров региона строительства комплекса,
тем самым максимально защищаясь от них.
Технические решения основной зоны научно-производственного гелиоком-
плекса обеспечивают повышение надежности его работы и улучшение основных
эксплуатационных качеств в различных климатических и геофизических усло-
виях, включая различные уровни сейсмичности. Повышение надежности дости-
гается за счет увеличенной жесткости каркаса и криволинейной формы части
объектов, образующих концентрические системы жесткости, этим же достигает-
ся экономичность, определяемая снижением материалоемкости объектов ком-
плекса и энергетической нагрузки на ограждения, системы кондиционирования
и другие инженерные системы строительных блоков. По предварительным дан-
ным, экономический эффект от внедрения одного многофункционального строи-
тельного гелиокомплекса составит 1,5—1,9 млн. руб.
Особенность архитектурно-конструктивного решения зданий вспомогатель-
ной зоны заключается в том, что несущие элементы блоков выполнены в виде
пространственных металлических рам треугольного сечения, которые вынесены
за пределы здания и с одной стороны остеклены или снабжены коллекторами
солнечной энергии. Таким образом сокращаются объемы зданий, а основные
конструкции выполняют несущие, солнцезащитные, ограждающие функции,
обеспечивают необходимую освещенность, являются энергоактивными элемен-
тами здания и создают композиционный строй фасадов, перекликающийся с фа-
садами основной зоны (рис. 5.7).
Энергоактивные здания вспомогательной зоны включают покрытие, совме-
щенное с прерывисто-складчатым коллектором солнечной энергии; этот коллек-
тор выполнен с наклонными гранями, остеклен и снабжен регулируемой солнце-
защитой. Между каждыми двумя смежными гранями складок покрытия, кото-
рые обращены к солнцу и совмещены с коллектором, размещены наклонные
грани, которые снабжены отражателями направленного типа. Допускается
применение отражателя, нижняя по скату часть площади которого или вся
площадь выполнена диффузно отражающей. Коллектор в пределах складки
имеет вид системы панелей с гелиоприемником активного или пассивного типа.
Энергоактивные здания допускают различную ориентацию на местности от-
носительно стран света: от энергетически оптимальной в средних и южных райо-
нах широтной ориентации до энергетически оптимальной в северных районах
меридиональной ориентации с включением, если это необходимо по градо-
строительным требованиям, всех промежуточных ориентаций. При этом пред-
почтительно ориентировать складки энергоактивного покрытия коньком в на-
правлении с запада на восток (широтная ориентация) во всех случаях привязки
здания относительно нулевого азимута.
180
Рис. 5.6. Поперечный разрез комплекса по центральному блоку
Рис. 5.7. Архитектурно-конструктивное решение зданий вспомогательной зоны
Рис. 5.8. Генеральный план комплекса «Солнце» с размещением функциональных зон по продоль-
ной оси
1— главный корпус; 2—инженерный корпус; 3 - технологическая башня; 4 концентратор;
5 — гелиостатное поле; 6 — градирни; 7 — компрессорная; 8 - склад; 9 — гелиог.риемники; 10
ветроагрегаты; 11 — автостоянка; 12 - скульптурная группа «Гелиос»
181
Грани складок с коллектором и отражателем наклонены в разные стороны,
а складка с отражателем наклонена под углом к горизонту, не превышающим
максимальную зимнюю высоту солнца. Складка с коллектором наклонена к го-
ризонту таким образом, что угол между нормалью к гелиоприемной поверхности
и горизонталью также не превышает максимальной зимней высоты солнца.
Первое необходимо для того, чтобы исключить затенение в отопительном сезоне
в периоды наиболее интенсивного поступления солнечной радиации на приемные
поверхности ограждения, а второе — для оптимизации площади экспонирова-
ния в солнечных лучах гелиоприемной поверхности коллектора и, в конечном
счете, для повышения к. п. д. коллектора. В летний период высокие солнечные
лучи попадают непосредственно на коллектор. Кроме того, дополнительно к нему
поступает часть лучей от отражателя, другая же часть лучей отводится от отра-
жателя в окружающее пространство, в результате чего снижается нежелатель-
ная энергетическая нагрузка на покрытие. В осенний и зимний периоды большая
часть солнечных лучей под более оптимальным углом попадает к гелиоприемни-
кам коллектора.
По данным предварительных технико-экономических расчетов энергоактив-
ные здания вспомогательной зоны повышают эффективность и экономичность
коллектора при неоптимальной пространственной ориентации здания и покры-
тия в целом в 1,29—2,18 раза по сравнению с известными решениями за счет от-
носительного уменьшения площади коллектора и повышения плотности его
снабжения солнечной энергией вследствие введения и регламентированного
расположения отражателя в системе энергоактивного покрытия. Здесь покры-
тие играет роль как ограждения здания, так и его оборудования.
В последнее время со стороны заказчиков все чаще поступают предложения
о более активном использовании солнечной энергии для энергетических нужд
многофункциональных комплексов. Особенно это касается районов строительст-
ва с жарким климатом. В проекте гелиокомплекса «Сатурн» предложен вариант
термодинамического преобразования солнечной энергии, т. е. превращения энер-
гии солнечного излучения сначала в механическую, а затем в электрическую по
паротурбинному циклу. Для этого потребовалось создать поле солнечных ге-
лиостатов, расположенных на северном от центра склоне, построить высотное
сооружение с солнечным парогенератором и установить турбины генератора,
системы автоматического слежения за солнцем и системы теплового аккуму-
лирования.
5.3. Различные архитектурные композиции
многофункциональных гелиокомплексов
В. В. Захаров
Практика показывает, что строительство многофункциональных промышлен-
ных гелиокомплексов осуществляется не сразу, а поэтапно, пусковыми блоками.
Непрерывный рост производства мощностей, изменение характера исследова-
ний, если это научное производство, модернизация технологии приводят к по-
стоянным изменениям характера застройки. Все это придает композиции много-
функциональных гелиокомплексов «открытый», развивающийся характер. Вся
система композиции должна представлять собой единый, пространственно раз-
витый ансамбль, состоящий из нескольких взаимосвязанных локальных ком-
плексов. Проектирование такого ансамбля не означает, что нужно изобретать
принципиально новые архитектурно-планировочные решения или заимствовать
их из классических примеров. Определяющими здесь должны быть творческая
концепция автора и уровень подготовки в вопросах гелиотехники и энергоактив-
ности зданий.
182
Точность выражения функции создает основу для создания художественного
образа. Но влияние функции на архитектурную форму проявляется многослож-
но — от целого к деталям, и только всесторонний учет этого влияния способст-
вует созданию соответствующего пространства. Однако архитектору нередко
приходится решать сложные проблемы, вытекающие из противоречия функций
и общей задуманной им композиции комплекса. К примеру, это относится
к проблеме взаимодействия функции и симметрии. Симметрия нередко дости-
гается привлечением каких-то излишних пространств и объемов, поэтому имен-
но симметрия во множестве случаев является формальным насилием над
функцией.
Сегодня, создавая гелиокомплексы, непременно надо иметь в виду возмож-
ность их развития. Жесткая симметрия может затруднить, если не исключить
вовсе такую возможность. Конечно, все это не значит, что симметрия как средст-
во архитектурной композиции должна быть исключена. Есть такие задачи, где
она оказывается уместной, даже необходимой, например в гелиоэнергетике.
Динамическая симметрия в отличие от статической предоставляет иные воз-
можности. Она подразумевает не тождество, а подобие уравновешенных в про-
странстве масс. Здесь достигается многообразие построений в единстве с инди-
видуальным содержанием объекта и его элементов. Такая архитектурная компо-
зиция будет всегда богаче и содержательнее, в ней свободно найдут свое место
ее составляющие, она вместит в себе большее разнообразие форм, предоставив
возможность естественного самовыражения для каждой функции. В этом случае
возникает больше возможностей для создания яркого, оригинального архитек-
турного образа.
При проектировании многофункциональных гелиокомплексов приходится
сталкиваться с различными проблемами познания сложных взаимодействий
различных функций, разных технологических процессов, с помощью логики и ин-
туиции доходя до создания своих пространственных структур, в которых функ-
ция и технология получают четкое разрешение.
Общая структура комплекса в первую очередь определяется конкретной си-
туацией, в которой предполагается его размещение: природным ландшафтом, спе-
цификой окружающей среды, близостью других объектов, памятников истории
и культуры, наличием сложившихся традиций. Для оценки потенциальных энер-
гетических ресурсов того или иного района нужно иметь сведения об обшей сум-
ме поступления солнечной энергии в различные периоды года и дня, а также о
возможных пределах их варьирования с помощью различных инженерных и ар-
хитектурных приемов, т. е. необходимо определить солнечные энергоресурсы
зданий.
Один из путей решения задачи экономии в строительстве традиционных
видов энергии состоит в том, чтобы наделить здания способностью не только
потреблять и рассеивать энергию, но и улавливать ее из окружающего простран-
ства с помощью специальных устройств, преобразовывать, включать в текущий
энергетический баланс, увеличивать освещенность за счет отраженного света,
т. е. здания должны обладать способностью повышать свою энергетическую
активность.
Эти особенности должны определять и архитектурную организацию комплек-
са. При формировании гелиотехнического комплекса особое значение приобре-
тает конкретизация системы функциональных, транспортных, инженерно-техни-
ческих, информационных и других коммуникаций в пространстве, чем осуществ-
ляется сведение отдельных элементов в единый многофункциональный комплекс.
Форма пространственной системы многофункционального гелиокомплекса
может быть самой разнообразной. В качестве основных вариантов возможны
следующие формы в плане:
линейная — функциональные зоны и объекты располагаются по продольной
оси, как правило, с севера на юг (рис. 5.8);
183
Рис. 5.9. Генеральный план комплекса с линейно-поперечной системой
линейно-поперечная — зоны и объекты располагаются по продольной оси
с одним или несколькими смещениями относительно оси с образованием попе-
речных второстепенных осей (рис. 5.9);
центрально-периметрическая — зоны и объекты располагаются вокруг цент-
ральной площади, которая является пешеходной и общественной зоной, а тран-
спортная зона — по внешнему периметру (рис. 5.10);
центрично-фокусированная — зоны и объекты размещаются вокруг откры-
184
Рис. 5.10. Генеральный план комплекса с центрально-периметрической системой
той площади, в геометрическом центре которой может размещаться высотное
сооружение с парогенератором, вытяжной трубой, водонапорной башней и т. д.,
образуя замкнутое пространство, относительно изолированное (рис. 5.11).
Возможно развитие пространства по вертикали, в том числе:
ступенчатое — зоны и объекты размещаются на рельефе в виде террас и
площадок (рис. 5.12);
185
Рис. 5.11. Генеральный план комплекса с центрично-фокусированной cucie.voii
ярусное — зоны и объекты располагаются в различных уровнях (рис. 5.13),
включая подземные пространства (тоннели в многофункциональных научно-
производственных гелиокомплексах).
В зависимости от конкретной градостроительной ситуации, общего замысла
и сочетаний пространственных систем могут приниматься разнообразные компо-
зиции многофункциональных гелиокомплексов: фронтальная, угловая и т. п.,
в том числе могут быть варианты симметричные и асимметричные, одно- и много-
этажные с различным набором- зданий и сооружений, разнохарактерных и раз-
номасштабных, со всевозможными системами гелиоустановок, с различными ва-
риантами фасадов и солнцезащитным экранированием.
Образная характеристика многофункционального комплекса может быть
обострена высотными доминантами. Увеличение числа вариантов может быть
186
достигнуто при использовании рельефа и зеленых насаждений, которые вносят
своеобразие, образуют эффектно изменяющиеся формы, фактуру, цвет. Раз-
нообразие композиции комплексов определяется не только конкретными мест-
ными условиями, но и творческим архитектурным замыслом автора. Во всех
случаях важными требованиями, предъявляемыми к архитектуре многофунк-
циональных научно-производственных гелиокомплексов, являются компози-
ционная целостность и способность развития, а также пространственная связь
с ближайшим окружением.
Фундаментальный принцип проектирования энергоактивных объектов —
полифункциональность ограждений, в которых элементы солнечного коллектора
и тепловой защиты здания совмещены и дополняют друг друга. Стремление
достичь максимального комфорта и высокой архитектурной выразительности
и индивидуальности объекта не должно противоречить дополнительным гелио-
и теплотехническим требованиям, обусловленным новыми функциями энерго-
активных зданий (рис. 5.14).
Следующая ступень в развитии солнечных зданий состоит в разработке
и строительстве крупных гелиокомплексов, многофункциональных агропромыш-
ленных гелиокомплексов, многофункциональных научно-производственных
гелиокомплексов, промышленно-селитебных гелиокомплексов, комплексов
ГЭС—СЭС—СП (солнечные печи). Это более высокая фаза, объединяющая
два, три или несколько подразделений, дополняющих друг друга по принципу
взаимного перераспределения энергии либо по принципу централизованного
сбора, преобразования и раздачи энергии, а также использования солнечной
радиации в технологическом процессе многофункциональных гелиокомплексов
(рис. 5.15). Соединение нескольких разнотипных производств в одном комплек-
се значительно снижает удельный расход наружных ограждений на единицу
объема здания и во столько же раз уменьшает затраты теплоты на его отопле-
ние.
Актуальность конечной задачи экономической совместимости зданий с при-
родно-климатическими условиями среды определила появление нового направ-
ления в архитектуре. Приобретая возможность с помощью конструктивных
и объемно-планировочных элементов реагировать на суточные и сезонные из-
менения температурно-радиационных параметров климата, многофункциональ-
ные гелиокомплексы как бы проявляют черты биологического организма.
При проектировании многофункциональных гелиокомплексов должны
соблюдаться все технологические и функциональные требования, предъявляе-
мые как к комплексу в целом, так и к отдельным функциональным подразде-
лениям.
Значительный эффект достигается и при объединении подразделений со
сходными технологическими процессами, требующими однородных групп тех-
нологических или инженерно-вспомогательных помещений. При объединении
групп объектов различного назначения следует дифференцировать способы объ-
единения по степени функциональной общности в пределах одной функциональ-
ной группы.
Система проектирования многофункциональных гелиокомплексов предпола-
гает творческое использование различных художественных средств и приемов
архитектурной композиции, а целостное решение открытых и закрытых про-
странств должно обеспечивать связь с окружающей средой. Архитектурная вы-
разительность комплексов может достигаться пластикой объемов в сочетании
с использованием индивидуальных решений энергоактивных зданий и органи-
зации площадок для гелиоустановок. При сохранении общего композиционного
пластического решения можно достаточно широко варьировать фасады по про-
тяженности, высоте и соотношению энергоактивных глухих и остекленных по-
верхностей плоских и рельефных элементов.
187
Навесные конструкции стен, наименее связанные со структурой здания, обе-
спечивают возможность разнообразных сочетаний элементов наружных ограж-
дений, что позволяет практически для каждого комплекса создать свой вариант
фасада. Панели ограждений, являясь энергоактивным элементом экстерьера
и интерьера, варьируются в пределах унифицированного модуля в зависимости
от требований освещенности помещений с одной стороны и внешних условий —
природно-климатической характеристики района строительства, ориентации
фасадов, характера окружения и т. д. — с другой (рис. 5.16).
Представленные проектные схемы вариантов общего пространственного
решения комплексов демонстрируют методический подход к проектированию
научно-производственных комплексов с использованием солнечной энергии.
В проектных схемах предлагаются варианты компоновок элементов в много-
функциональных гелиокомплексах научно-производственных центров для гра-
достроительных ситуаций, различных по составу, объемам, композиции. Проек-
ты разработаны в компактном, центричном, угловом, линейном и свободном
композиционных вариантах (см. рис. 5.8—5.13).
188
Рис. 5.12. Генеральные планы комплексов с размещением основных зон на рельефе
5.4. Основные составляющие архитектурного проектирования научно-
производственных гелиокомплексов
В. В. Захаров
Проектирование многофункциональных научно-производственных гелиоком-
плексов основано на сочетании двух взаимодополняющих методов — типового
и индивидуального — и может включать три этапа разработки проекта.
На первом этапе осуществляется градостроительное проектирование, кото-
рое предполагает максимальный учет конкретных условий, влияющих на выбор
индивидуального решения комплекса. К ним относятся: природно-климатиче-
ские особенности, в том числе гидрологические условия, рельеф, экономические
возможности, ресурсообеспеченность строительства комплекса, градостроитель-
ная ситуация места размещения комплекса, а также создание среды обитания,
сохраняющей черты национального своеобразия. На этом этапе определяются:
189
Рис. 5.13. Генеральный план комплекса с ярусными ионами
место размещения комплекса на территории района с учетом трассировки и
пропускной способности инженерных и транспортных коммуникаций;
состав различных подразделений комплекса с выделением первой очереди
строительства;
размеры территории комплекса;
общая композиционная идея многофункционального научно-производствен-
ного гелиокомплекса, соответствующая данным конкретным условиям.
Таким образом, на первом этапе проектирования обеспечивается индивиду-
альное решение комплекса, отвечающее градостроительным условиям и раскры-
вающее его художественный образ, осуществляется также индивидуальное ре-
шение энергоактивности его зданий и сооружений.
190
Рис. 5.14. Архитектурная выразительность при новых функциях энергоактивных зданий и соору-
жений
Рис. 5.15. Использование солнечной радиации в технологическом процессе многофункциональных
гелиокомплексов
в,
Рис. 5.16. Разнообразные сочетания элементов наружного ограждения позволяют для каждого
комплекса создать свой вариант фасадов
191
Рис. 5.17. Главный фасад комплекса а продольный разрез
Рис. 5.18. Скульптурность и активная плас-
тичность в моделировании архитектурных
объемов гелиокомплекса
Рис. 5.19. Продольный разрез технологиче-
ской башни
192
На втором этапе проектирования определяется общая структура самого комп-
лекса, создается его внутренняя архитектурная среда. Определяются принципы
организации его центра — коммуникационного пространства с композиционной
соподчиненностью примыкающих пространств. Внутренняя пространственная
организация комплекса осуществляется созданием укрупненных зон, т. е. объе-
динением нескольких функциональных групп с какой-либо одной преобладаю-
щей функцией и организацией главной коммуникационно-рекреационной зоны,
являющейся связующим звеном между центральной частью комплекса и укруп-
ненными зонами, сгруппированными, как правило, вокруг главной зоны. Созда-
ние укрупненных функциональных зон позволяет строить комплекс по очередям,
каждая из которых может функционировать автономно.
Объединение различных компонентов многофункционального гелиокомплек-
са должно быть обосновано единством модульной системы, общностью объемно-
планировочных и конструктивных параметров. При проектировании комплексов
нужно стремиться к группировке объектов с одинаковыми параметрами, обеспе-
чивать единство конструктивного решения. Следует применять наиболее про-
грессивные экономичные конструкции, которые позволяют решать вопросы
энергоактивности.
На третьем этапе проектирования осуществляется инженерная привязка
гелиотехнического оборудования к соответствующему месту в комплексе. Неко-
торые сочетания и варианты блокировки этих элементов приводят к наиболее
экономичным решениям (см. рис. 5.8). На этом же этапе решается образ комп-
лекса в целом с разработкой архитектурных деталей фасадов, солнцезащиты,
малых архитектурных форм экстерьера, благоустройства и озеленения террито-
рии многофункционального научно-производственного гелиокомплекса.
При решении «общего интерьера» комплекса следует использовать архитек-
турные приемы, способствующие композиционному единству элементов прост-
ранства и целостности его восприятия. Существенное значение придается при-
менению средств, усиливающих ощущение пространственной связи открытых
и закрытых помещений, подземных и наземных этажей (рис. 5.17).
На конгрессе Международного союза архитекторов (Мадрид) ’ выявилась
озабоченность специалистов разных стран негативным влиянием на архитектуру
эстетики техницизма, подменой художественно-образного мышления зодчего
технологическим конструированием, когда архитектурные решения уклады-
ваются в примитивные схемы, а здания представляют собой строгие геометриче-
ские формы. Подобные решения возможны и в будущем, говорил Оскар Нимей-
ер, однако они не догма: их уже нельзя втиснуть в рамки ранее установленных
норм; новые сложные программы в плане функционализма требуют разных и
усложненных планировок. Архитектору необходимо увидеть под функциональ-
ностью гелиопромышленных сооружений живое совершенство форм, присущее
скульптурам.
В основе всего должно лежать стремление добиться функционально желае-
мого минимальными средствами. Эстетическое должно возникать как бы испод-
воль, само собой. Красота скрыта во всем, но выявить ее профессионально дано
архитектору, и чем шире будет его участие на всех этапах проектирования и
строительства гелиозданий и комплексов, чем теснее контакт с технологами,
конструкторами, учеными, тем ощутимее будет результат.
В ближайшем будущем проектирование промышленных гелиокомплексов
должно пойти по пути дальнейшего усложнения сооружений в сочетании с жи-
вописностью композиционных построений, с большим внедрением скульптурно-
сти и активной пластичности при моделировании архитектурных объемов, а так-
же по пути отхода от упрощенного элементарного прямоугольного очертания
объемов зданий, имеющих повышенную этажность, и дальнейшего обогащения
их силуэта более активными и сложными формами (рис. 5.18).
Особо важное народнохозяйственное значение имеют металлургические
193
научно-производственные гелиокомплексы, которые открывают новую отрасль
солнечной металлургии и предназначены для осуществления технологических
операций с использованием концентрированного потока солнечного излучения
в высокотемпературных установках типа «солнечная печь» различной мощности.
Для производства чистых высокоогнеупорных материалов (температура более
3500° С) в существующих электронагревательных печах с использованием плаз-
мы и электронных пучков необходимо применение исходного материала высокой
чистоты и достижение температуры выше 2000°С.
Используемое на гелиокомплексах оборудование позволяет получать мате-
риалы высокой чистоты в виде порошков, что удобно для процесса изготовления
изделий из этих материалов по керамической технологии, а также получать из-
делия из плавленого материала непосредственно на оборудовании солнечной
печн. Коэффициент полезного действия преобразования солнечной энергии
в такой печи не ниже 50%.
Архитектурная разработка промышленного гелиокомплекса такого типа рас-
смотрена ниже. В решении этого комплекса требования, предъявляемые к совре-
менному предприятию нового типа, сочетаются с использованием национально-
го колорита в образе комплекса. Композиция гелиокомплекса включает поле
гелиостатов, концентратор, производственный блок и технологическую башню
с солнечной печью.
Ствол технологической башни ступенчато соединен с пониженной частью
производственно-лабораторного корпуса таким образом, что часть ствола про-
пущена через проем в покрытии верхнего пониженного блок-этажа. Проем вы-
полнен С-образным, а часть ствола, обращенная к концентратору, снабжена
сквозным вертикальным каналом, сообщенным под землей с выдвинутым за
габарит ствола дополнительным подземным блоком, верхняя ограждающая
грань которого имеет монтажный проем для замены различных платформ с пе-
чами (рис. 5.19). Каркас ствола башни смонтирован с опиранием на фундамент-
ную плиту подземного блок-этажа.
Верхний отсек технологической башни снабжен подъемным устройством
с зоной технологического охвата, обеспечивающей возможность съема и уста-
новки платформы с солнечной печью в фокальной зоне гелиокомплекса. Торец
канала ствола технологической башни выполнен в виде трансформируемой па-
нельной конструкции. Размеры в плане вертикального канала ствола техноло-
гической башни и размеры в свету проема выполнены превышающими соответст-
вующие габаритные размеры платформы с солнечной печью, что позволяет
иметь минимальную тень от технологической башни на концентраторе
(рис. 5.20).
Гелиостат представляет собой устройство с плоской зеркальной отражающей
поверхностью (зеркалом), образованной зеркальными элементами (фацета-
ми) размером 0,5X0,5 м, индивидуально регулируемыми и установленными не-
зависимо друг от друга на жесткой раме, которая может поворачиваться вокруг
вертикальной (азимутальной) и горизонтальной (угломестной) осей двухосно-
го опорно-поворотного устройства механизма гелиостата. Гелиостаты находят-
ся с северной стороны от неподвижного концентратора и предназначены для
переотражения на него лучистого потока (рис. 5.21).
Гелиостаты установлены и поворачиваются таким образом, чтобы при их
работе зеркальная поверхность концентратора полностью перекрывалась от-
раженными от них лучистыми потоками и обеспечивалась параллельность осей
этих потоков оптической оси концентратора, за исключением особых ситуаций,
в которых требуется введение рассогласования между осями лучистых потоков,
отраженных от отдельных гелиостатов (их зеркал), и оптической осью концент-
ратора (рис. 5.23).
Параллельный поток лучей солнечного света падает на зеркала группы
гелиостатов (рис. 5.22). Отраженный поток направляется на концентратор,
194
Рис. 5.20. Вид сверху на концентратор и тех-
нологическую башню
Рис. 5.21. Основные сооружения металлурги-
ческого гелиокомплекса
1 — концентратор; 2 — технологическая баш-
ня; 3 — производственное здание; 4 — лабо-
раторные здания; 5 — солнечные лучи; 6 —
гелиостаты, 7— главная ось
Рис. 5.22. Совмещение концентратора с зданиями
195
имеющий форму параболоида, который фокусирует его в точке фокальной плос-
кости. В фокальной плоскости размещается солнечная печь. Размеры концент-
ратора зависят от числа используемых гелиостатов и геометрии их размещения.
В принципе гелиостаты могут располагаться не только на террасах, поднимаю-
щихся ступенями вверх, но и быть рассредоточенными на значительных прост-
ранствах перед концентратором. Размеры каждого гелиостата определяются до-
пустимым весом и принятой геометрией подвеса, допустимой мощностью приво-
дов, точностью наведения и т. д. Число гелиостатов зависит от требуемой мощ-
ности солнечного потока в концентраторе. Основной задачей наведения являет-
ся определение закона движения зеркала гелиостата.
Недостатком использования солнечных датчиков для автоматического наве-
дения является потеря управления при затемнении солнца облаками. Програм-
мное управление в таком случае позволит продолжить движение гелиостата.
В момент следующего появления солнца из-за облаков световой поток с по-
мощью зеркала будет направлен на концентратор. Это ведет к более эффектив-
ному использованию энергии солнца. Решение задачи программного управле-
ния позволяет построить идеальную математическую модель движения зеркала
гелиостата и, следовательно, произвести сравнительную оценку погрешностей
различных законов управления. Появляется возможность выбора оптимальной
с точки зрения простоты закона управления кинематической схемы.
Гелиостатный комплекс представляет собой сложную систему автоматиче-
ского регулирования, подверженную влиянию помех и возмущающих воздейст-
вий, возникающих главным образом за счет обдува зеркал гелиостатов ветром.
Приводы гелиостатов, входящие в системы управления гелиостатами, должны
обеспечивать высокую точность слежения за солнцем, характеризуемую макси-
мально допустимой ошибкой — 60 угл. с., работать на весьма малых, «ползучих»
скоростях порядка 1 об/сут, преодолевая значительные инерционные моменты
(моменты инерции вращающихся частей гелиостатов).
Система управления гелиостатами комплекса предназначена для перемеще-
ния их в то или иное угловое положение с различными скоростями движения
гелиостатов.
Технологический процесс осуществляется следующим образом. Гелиостаты,
поворачиваемые в режиме слежения за солнцем, постоянно посылают отражен-
ные параллельные солнечные лучи к концентратору. Концентратор фокусирует
лучи в фокальной зоне, и на приемнике солнечной печи достигается необходимая
концентрация плотности потока солнечной энергии. Это обеспечивает достиже-
ние в рабочей зоне печи температуры, превышающей 3500°С, необходимой для
плавления и выполнения всего дальнейшего технологического процесса.
Техническое решение гелиокомплекса (рис. 5.24) характеризуется повышен-
ной технологичностью, улучшенными эксплуатационными качествами и эконо-
мичностью. Это достигается путем сокращения простоев энергетических агре-
гатов за счет более быстрой подготовки очередной плавки, сокращения длины
технологических коммуникаций и уменьшения количества строительных мате-
риалов для них.
Высотная компоновка вариантных решений (см. рис. 5.23 и 5.27) с совмеще-
нием производственно-лабораторного корпуса с концентратором влечет за собой
малый выход полезной площади в корпусе, так как в здании появляется разви-
тая система вертикальных коммуникаций, лестничные клетки, шахты кабельного
хозяйства, вентиляции, дымоудаления, водопровода, канализации. Совмещение
в одном объеме двух масс (здание и концентратор) с различными периодами ко-
лебаний в условиях сейсмики создает сложности как расчетного, так и конструк-
тивного характера и ведет к усложнению нетнпового монолитного железобетон-
ного и металлического высотного каркаса здания. Относительно небольшие
габариты пониженной части производственно-лабораторного корпуса, распо-
ложенной под полем лучей системы «гелиостаты — концентратор», конструк-
196
тивное решение ствола и опорного узла технологической башни, ее инженерного
оборудования, индивидуальная система солнечной печи и размещение высотной
части производственно-лабораторного корпуса за концентратором затрудняют
технологические операции обслуживания солнечной печи и встречной транспор-
тировки сырья и готовой продукции внутри комплекса. А зауженная зона соеди-
нения технологической башни с производственно-лабораторным корпусом удли-
няет время замены основных технологических агрегатов солнечной печи, что
снижает производительность комплекса и увеличивает стоимость продукции.
Поэтому раздельная компоновка концентратора и лабораторно-производст-
венного корпуса имеет ряд преимуществ перед совмещенным вариантом. Созда-
ется возможность раздельного проектирования и строительства двух сложных
сооружений, что сокращает срок их возведения и позволяет выполнять лабора-
торно-производственный корпус в стандартных антисейсмических сериях. Тех-
нологические же задачи и распределение коммуникаций в малоэтажном зда-
нии решаются проще. Внедрение данного технического решения гелиокомплекса
позволит сэкономить государству за счет улучшения технологичности и эконо-
мии строительных материалов 1 млн. 200 тыс. руб.
В СССР с участием автора разработаны архитектурно-технические решения
основных сооружений гелиокомплексов: концентратора солнечной энергии и
комплекса гелиотехнических сооружений следящего типа.
Строительная конструкция концентратора солнечной энергии (рис. 5.26)
имеет опорную часть в виде системы попарно объединенных встречно-наклон-
ных разновысоких ферм, поярусно раскрепленных горизонтальными связевыми
фермами с консольными площадками, и каркас зеркала с юстировочными эле-
ментами. Каждая пара встречно-наклонных ферм смещена в плане относительно
смежных таким образом, что одноименные опорные элементы ферм системы раз-
мещены в плане на двух условных параллельных параболах. Внешние пояса
наклонных ферм вписаны в разнонаклонные параболоцилиндры, а горизонталь-
ные связевые фермы поярусно выполнены в виде искривленных в плане много-
гранников, вписанных в условные параболы той же кривизны. При этом консоль-
ные площадки имеют разную длину в направлении от плоскости системы разно-
наклонных ферм, так что их свободные консольные концы в зоне опирания юсти-
рованных элементов каркаса зеркала выведены на условную поверхность пара-
болоида вращения с оптической осью. Эта ось пересекает в центральной части
систему наклонных ферм и проходит через нее таким образом, что главная вер-
тикальная оптическая плоскость совмещена с плоскостью симметрии концентра-
тора, который с южной стороны снабжен вертикально установленной лестнично-
лифтовой башней. А система более высоких наклонных ферм с выпуклой стороны
каркаса соединена горизонтальными переходными площадками с лестнично-
лифтовой башней. С тыльной южной стороны и с торцов несущие конструкции
концентратора защищены ограждением — экранами в виде горизонтально
ориентированных, наклонных в вертикальной плоскости ленточных элементов
(рис. 5.25).
Зазоры между смежными по высоте экранами обеспечивают естественное
освещение внутреннего объема концентратора рассеянным светом и его аэра-
цию. Совокупность смежных по высоте элементов экрана и настила полностью
предотвращает инсоляцию несущих элементов каркаса от неравномерных тем-
пературных деформаций. Общая жесткость и устойчивость сооружения обеспе-
чивается тем, что нижние торцы ферм жестко связаны единой фундаментной
плитой, которая выполнена из монолитного железобетона и имеет конфигура-
цию, ограниченную в плане вертикальными поверхностями параболоцилиндра,
параллельными друг другу.
Концентратор снабжен крупноформатным зеркалом в виде параболоида
вращения, закрепленным на жестком каркасе в виде взаимно смещенных в пла-
не наклонных ферм, объединенных связями с вертикальной башней и опертых на
197
Рис. 5.23. Гелиостаты
Рис. 5.24. Общий вид комплекса и схема тех-
нологического процесса (сплошные линии —
люди, штриховые линии — грузы)
Рис. 5.25. Торцевой фасад концентратора
Рис. 5.26. Концентратор солнечной энергии
198
две жесткие искривленные в плане фундаментные плиты. Такая конструкция
в сочетании с защитой несущих элементов каркаса от инсоляции и неравномер-
ных температурных деформаций обеспечивает ряд преимуществ по сравнению
с вариантом совмещения концентратора и производственно-лабораторного зда-
ния. Простота конструктивного решения обусловливает повышенную экономич-
ность концентратора, что выражается в снижении расхода основных материалов
на единицу вырабатываемой энергии.
Более высокие из встречно-наклонных ферм выведены за верхний обрез зер-
кала концентратора на одно решетчатое звено, которое развито в плоскости
фермы и выполнено трапецеидальным, причем верхнее основание трапеции об-
разовано продолжением горизонтального верхнего раскоса, а дополнительная
боковая грань трапеции — продолжением наклонного раскоса, предшествующе-
го по высоте звена фермы. По нижним поясам трапецеидальных звеньев ферм
прикреплен первый солнцезащитный экран, который является покрытием смот-
ровой площадки, а по верхним поясам трапецеидальных звеньев, через систему
установленных на них балочных элементов, размещен и прикреплен второй
солнцезащитный экран верхнего торца каркаса концентратора (рис. 5.30). Бо-
ковые торцы концентратора до примыкания к зеркалам снабжены вертикальны-
ми солнцезащитными экранами, конструктивно увязанными по высоте с экрана-
ми тыльной стороны концентратора. Две фермы поверх трапецеидального звена
снабжены консольными треугольными решетчатыми элементами, сходящиеся
пояса которых отклонены внутрь по отношению к параллельным поясам фермы,
а в пространстве между плоскостями этих элементов размещен с прикреплением
к ним через системы балок объемный блок юстировочной камеры со следящим
устройством (рис. 5.29). Этот блок связан с конструкцией торцевой солнцезащи-
ты концентратора и пространственной системой лестничных маршей, а со сторо-
ны, обращенной к зеркалу концентратора, к поясу каждого из консольных треу-
гольных решетчатых элементов прикреплен пространственный юстировочный
блок геодезических визирных марок, выполненный в виде структуры. В плоских
ячейках внешней грани структуры прикреплены перпендикулярные ее стержням
промежуточные опорные стержневые элементы визирных марок. Следящее
устройство в юстировочной камере выполнено в виде проекционного прибора.
Перед началом рабочего сбора солнечной энергии устанавливают оптиче-
скую связь через геодезические визирные марки с гелиостатами и по мере необ-
ходимости осуществляют выборочный контроль и юстировку любого из гелио-
статов через юстировочное устройство, расположенное на минимальном удале-
нии от блока геодезических визирных марок. Наличие верхних торцевых и бо-
ковых солнцезащитных экранов исключает неравномерное облучение элементов
каркаса концентратора, примыкающих к его торцам, а также обусловленное
этим возможное временное искажение юстировки элементов оптической систе-
мы концентратора. Таким образом, обеспечивается повышение точности, эко-
номичности и надежности концентратора и удобство юстировки при уменьшении
ее трудоемкости и улучшении качества.
Зеркало концентратора по форме напоминает огромный парус. В период
работы он светится сотнями граней и воспринимается как гигантский бриллиант
в серебряной оправе. А на его вершине, дополняя яркую картину, горят руби-
новые юстировочные лампы.
Строительный комплекс гелиотехнических сооружений следящего типа
включает систему гелиостатов с фотогидами, фундаменты под гелиостаты и под
фотогиды, расположенные рядами, и систему каскадно расположенных подпор-
ных стен, чередующихся с горизонтально ориентированными площадками,
уступообразно возведенными на наклонном участке территории (рис. 5.28).
Фундамент под каждый гелиостат и его фотогид выполнен в виде прямоугольно-
го в плане объемного железобетонного блока, который жестко соединен с дни-
щем, опертым на основание и снабженным по контуру консольными выступами
199
(рис. 5.31). Блок имеет поверху съемное секционное покрытие, а внутри снабжен
размещенной в его верхней половине диафрагмой жесткости, которая ориенти-
рована горизонтально, жестко прикреплена по контуру к стенам блока и снабже-
на анкерами и закладными деталями для крепления опорной части гелиостата.
Фундаменты под фотогиды выполнены в виде снабженной анкерами и закладны-
ми деталями консольной горизонтальной плиты, жестко соединенной с внешней
стороны с верхней частью одной из стен объемного блока фундамента гелиоста-
та. Объемный блок фундамента врезан тыльной, объединенной с плитой фунда-
мента фотогида стеной и двумя примыкающими к ней боковыми стенами блока
в массив грунта вышележащего уступа площадки. Передняя стена блока откры-
та и заглублена в грунт в нижней части не менее чем на глубину промерзания
грунта, причем подпорная стена уступа площадки, в который врезан объемный
блок, выполнена в виде единой конструктивной системы.
Эта система состоит из сборномонолитных участков с перекрестными вер-
тикальными и горизонтальными элементами жесткости, которые размещены
между объемными блоками фундаментов гелиостатов заподлицо с открытой
стеной объемных блоков, жестко объединенных с их боковыми стенами и контр-
форсно подкрепленных объемными блоками фундаментов. Подпорные стены по
торцам снабжены Г-образно развернутыми в плане и заведенными в массив
грунта вышележащего уступа площадки анкерными стеновыми элементами,
частично открытыми от грунта с внешней стороны в верхней зоне угла соедине-
ния с основной подпорной стеной. В лицевой стене объемного блока фундамента
гелиостата устроен проем с дверным полотном. Ряды фундаментов под гелиоста-
ты сгруппированы в зонах уступов площадки с шахматным смещением по широ-
те смежных фундаментов смежных рядов (рис. 5.32).
Комплекс гелиотехнических сооружений следящего типа выполнен из желе-
зобетона и металла, при этом для отражателей используются высококачествен-
ные зеркала. Объекты предлагаемого комплекса монтируют поэлементно и
укрупненными блоками.
Комплекс гелиотехнических сооружений следящего типа работает следую-
щим образом. Гелиостаты с фотогидами, установленные на фундаменты, жестко
соединенные с консольными плитами, обеспечивают подачу стабильно ориенти-
рованных потоков солнечной энергии к концентратору и другому гелиоприемни-
ку. Повышенная эксплуатационная надежность и экономичность работы комп-
лекса обеспечиваются совместной работой фундаментов гелиостата и фотогида,
монолитно связанных друг с другом, и совместной работой фундаментов гелио-
статов со сборно-монолитными участками подпорной стены. Разработанное
техническое решение дает двойной эффект: объемные блоки обеспечивают по-
вышенную статическую и динамическую устойчивость конструкции против опро-
кидывания из плоскости и в плоскости уступа подпорной стены, а элементы
жесткости вместе с заполнением дополнительно раскрепляют систему фундамен-
тов в плоскости подпорной стены. Это увеличивает их сопротивляемость сейсми-
ческим воздействиям, ориентированным как в плоскости стены, так и в других
направлениях, вследствие чего возрастает общая эксплуатационная надеж-
ность комплекса при относительно пониженном расходе конструкционных строи-
тельных материалов. Одновременно данное техническое решение позволяет
улучшить работу комплекса в неблагоприятных условиях. По данным предвари-
тельных технико-экономических расчетов экономический эффект от внедрения
предлагаемого устройства на одном комплексе гелиотехнических сооружений со-
ставляет не менее 200 тыс. руб. Каждый гелиостат снабжен зеркалом площадью
около 50 м2, оборудован электрическими приводами зенитного и азимутального
вращения и имеет собственную траекторию движения.
Во всех типах композиционных решений гелиокомплекса возможны два ва-
рианта применения гелиостатов: отдельно стоящие и объединенные на общей
поворотной платформе.
200
Рис. 5.28. Продольный разрез по гелиостатному полю, фасад террасы гелиостатного поля и разрезы
административного здания гелиокомплекса
201
Рис. 5.29. Юстировочный блок. Элементы ви-
зирных марок
Рис 5.31. Фундамент под каждый гелиостат
в виде объемного железобетонного блока
Рис 5.32. Ряды гелиостатов сгруппированы
в зонах уступов площадки с шахматным сме-
щением по широте смежных гелиостатов смеж-
ных рядов
Рис. 5.33. Универсальная солнцезащита —
несущая конструкция в виде пространственных
блоков, к которой прикреплены экраны
Рис. 5.30. Конструкция верхней части концент-
ратора
202
В условиях необходимости всемерной экономии невосполняемых энергетиче-
ских ресурсов и капитальных затрат рациональные проектные решения много-
функциональных промышленных и агропромышленных гелиокомплексов и от-
дельных зданий и сооружений позволяют достигнуть значительной экономии
материальных и финансовых ресурсов.
5.5. Универсальная система солнцезащитного экранирования
В. В. Захаров
Качество архитектуры гелиокомплексов определяется экономичностью, дол-
говечностью, функциональностью, комфортностью и выразительностью. Каж-
дый из этих факторов непосредственно зависит от рационального решения во-
просов в области архитектурной климатологии, а именно, в области инсоляции
и солнцезащиты. Даже высокохудожественные произведения архитектуры, в ко-
торых наблюдаются резкий тепловой и световой дискомфорт и огромный пере-
расход энергии на борьбу с потерями теплоты зимой и охлаждение здания ле-
том, теряют смысл.
Основа рационального с точки зрения комфортности решения будущих зда-
ний и сооружений закладывается архитектором в самом начале проектирования,
когда определяются композиционный замысел и образ будущего комплекса,
ориентация его зданий по сторонам горизонта, размеры и пропорции светопрое-
мов и т. д. В экономическом отношении значение этих вопросов не менее велико.
Достаточно сказать, что при рациональном выборе размеров светопроемов
и увеличении использования естественного света в зданиях на 1 ч в течение су-
ток государство экономит 3 млн. кВт- ч электроэнергии в год только по промыш-
ленным зданиям.
В массовом строительстве, как правило, невозможно уменьшить размеры
светопроемов из соображений их светоактивности и архитектуры интерьеров.
Кроме того, при большой глубине помещений по нормам необходимо максималь-
ное остекление. Вместе с тем необходимо, чтобы теплопотери здания были мини-
мальны. Выход из этого замкнутого круга — в применении прогрессивной систе-
мы совмещенного освещения за счет бокового и верхнего освещений и усиления
освещенности отраженным светом, что дает значительное сокращение площади
остекления фасадов.
В качестве одного из решений проблемы рассмотрим архитектурно-техниче-
ское решение универсальной системы солнцезащитного экранирования зда-
ний ’. Такая система может быть применена для защиты жилых, общественных
и производственных зданий от перегрева в поле солнечной радиации в районах
с повышенной инсоляцией и высокими летними температурами, а также для
преобразования солнечной энергии в электрическую, тепловую или другие виды
энергии (рис. 5.34).
Недостатком известных конструкций является невысокая эффективность за-
щиты от перегрева в поле солнечных лучей, неуниверсальность защиты, отно-
сительная конструктивная сложность вследствие применения повышенного
числа разнотипных элементов, образующих несущую конструкцию, неунивер-
сальность защиты с точки зрения возможности ее применения на фасадах раз-
личной ориентации по странам света. Кроме того, известные конструкции
солнцезащиты не предотвращают образования «тепловых мешков» в ячейках
экранов, излишне трудоемки при монтаже, металлоемки и создают повышенную
нагрузку на элементы здания.
Универсальная конструктивная система солнцезащитного экранирования
включает несущую конструкцию, к которой прикреплены экраны в виде пане-
лей. Несущая конструкция состоит из пространственных блоков, стержни кото-
' Универсальная система солнцезащитного экранирования разработана архит. В. В. Захаро-
вым и коллективом авторов.
203
рых образуют структуру (рис. 5.33). Внутренняя решетка структуры блоков вы-
полнена с постоянным шагом узлов и параллельным расположением одноимен-
ных элементов в пределах блока. Кроме того, возможно монотонное шаговое из-
менение в направлении вдоль одной из плоских решеток структуры, образую-
щих диагональные, горизонтальные или ориентированные по высоте пояса.
Внешние решетчатые грани блоков имеют плоскую или ломаную конфигурацию
и пространственно ориентированы параллельно или под углом расхождения —
схождения с ответной противоположной гранью блока.
Конструктивно монотонное (квазимонотонное) расхождение—схождение
граней блоков обеспечивают за счет последовательного изменения длины стерж-
невых элементов блока или соответствующего убывающего или нарастающего
изменения длины заделки стержней в стыках структуры с изменением при необ-
ходимости в пределах долей градуса или нескольких градусов углов схождения
стержней. При этом панели экранов размещены полностью или частично внутри
решетчатых блоков. Панели экранов прикреплены одной из граней к элементам
плоской решетки структуры блока. В зависимости от ориентации, защищаемого
ограждения или его участка выбирают соответствующую ему ориентацию плос-
ких решеток пространственной структуры блока. Так, для южных стен наиболь-
ший эффект дает горизонтальное ориентирование панелей экранов, образую-
щих единую систему солнцезащиты ограждения (рис. 5.35).
Солнцезащитные панели экранов устанавливают под углом к поверхности
ограждения, меньшим или равным 90°. Панели экранов могут состоять из листо-
вых элементов с обрамляющим контуром в виде плоских каркасных рамок,
образованных продольными поясными элементами, поперечными перемычками
и торцевыми элементами. Каркасные рамки наложены на соответствующие
плоские решетки структуры блоков и соединены с их элементами. В этом вариан-
те крепления листовые элементы экранов снабжены по контуру уплотняющей
прокладкой и прижаты по торцам к поясному элементу каркасной рамки по-
средством уголковой накладки.
С целью повышения энергетической эффективности панели экранов могут
быть снабжены солнечными батареями с фотоэлектрическими или другими пре-
образователями лучистой энергии солнца и сообщены по энергоносителю меж-
ду собой, с потребителем или с аккумулятором энергии. Универсальная солнце-
защита может быть пассивной и активной.
Варианты решения, когда панели экранов ориенированы вертикально или
по диагональным решеткам структуры блока либо расположены с чередую-
щимся изломом, выполняются аналогично, при этом универсальность конструк-
тивной системы солнцезащитного экранирования достигается тем, что для всех
ориентаций ограждений может быть использован один и тот же тип несущих
конструкций в виде однотипных пространственных стержневых блоков и, если
это необходимо, одни и те же панели экранов. Изменяется лишь их расположе-
ние внутри решетчатого блока (рис. 5.36—5.38).
Пространственные варианты системы солнцезащиты в виде многогранников,
вписанных—описанных по условным поверхностям 2—4-го порядков, выполня-
ют путем введения в блоки или между ними дополнительных стержней доборной
длины, обеспечивающих регулярное изменение пространственной формы струк-
туры. При постоянной кривизне условной оболочки, в которую должна быть
вписана структура, наиболее корректный результат дает применение раздельных
марок стержней для внутренней и внешней граней блоков (рис. 5.39 и 5.40).
Предложенное устройство может быть выполнено из легких сплавов или
металлов, например, алюминия, в том числе анодированного в различные тона
с целью улучшения лучистых и декоративных характеристик, с применением
солнцезащитных стенок, металлопластов, асбестоцемента и других материалов,
применяемых в строительстве.
204
Благодаря указанным особенностям предложенного устройства обеспечи-
вается возможность крепления солнцезащитных экранов вертикально, гори-
зонтально или комбинированно относительно поверхности земли: при ориенти-
ровании фасада здания на юг экраны располагаются горизонтально (см. рис.
5.35), на запад или восток — вертикально (см. рис. 5.36), на юго-запад или юго-
восток— комбинированно (см. рис. 5.37). Относительно малый собственный
вес системы солнцезащитного экранирования дает возможность крепить ее на
значительном расстоянии от фасада здания, что создает вертикальный провет-
ривающий воздушный поток, исключающий передачу горизонтального теплово-
го потока от солнцезащитного устройства к фасаду здания. Экраны, установлен-
ные под углом к фасаду здания, отражают 80% падающей на поверхность
экранов солнечной радиации. Лишь 20% ее попадает на фасад здания, не созда-
вая дискомфорта внутри помещений и не нагревая ограждающих конструкций
самого здания.
Ввиду того, что экраны выполняются из солнцезащитных и теплоотражаю-
щих материалов, способных задерживать и отражать прямую радиацию солнца,
и в макроструктуре являются прозрачным элементом, связь между внутренним
пространством здания и внешней средой не нарушается, что улучшает психоло-
гический климат в помещениях.
Предложенное устройство позволяет повысить эффективность защиты
здания от перегрева за счет отражения до 80% солнечной радиации поверх-
ностью солнцезащитных экранов, установленных под оптимальным углом к фа-
саду здания и расположенных в зависимости от условий инсоляции вертикаль-
но, горизонтально или комбинированно.
Панель, выполненная в виде пространственной перекрестно-стержневой
решетки, закрепленной на расстоянии от ограждающих конструкций здания
и свободно обдуваемой воздухом, исключает образование тепловых мешков,
создавая вертикальный поток воздуха между солнцезащитным устройством и
зданием. При этом улучшается архитектурная выразительность здания, объемы
становятся легкими и хорошо вписываются в ландшафт местности. Предложен-
ное устройство снижает температуру воздуха внутри помещения на 4—10°С, что
позволяет уменьшить в 1,4—2 раза мощность холодильных установок, т. е. сни-
зить энергозатраты на кондиционирование воздуха. Экономический эффект от
использования универсального устройства на 1 м3 здания за счет снижения тем-
пературы внутри помещения составляет 2—4 руб/м3 в год.
Вопросы изоляции обитаемого пространства от неблагоприятных природно-
климатических условий, инсоляции помещений и использования солнечной
энергии для повышения энергетической эффективности зданий, как правило,
рассматривались обособленно, без учета их естественного единства. Универ-
сальная система солнцезащитного экранирования позволяет решить эту задачу
путем применения в экранах различных энергоактивных панелей — солнцеза-
щитных и теплоотражающих с фотоэлектрическими или другими преобразо-
вателями.
Несмотря на явную индустриалыюсть рассматриваемой системы в целом
здания сохраняют необходимую камерность. Серебряные зеркальные экраны —
это «внегравитационная» эстетическая система. Действительно, реальные пред-
меты, проецируясь в зеркально-серебристый «антимир» этих фасадов, как бы
теряют свой вес, парят в воздухе. Архитектура зеркальных фасадов в основном
находится в русле общей тенденции к усилению связей с окружающей средой,
к сохранению существующего природного и городского контекста.
Кроме того, применение зеркального солнцезащитного стекла значительно
снижает затраты энергии для поддержания постоянной температуры внутри
здания. Здание испытывает минимальные тепловые нагрузки и минимальный их
перепад, что облегчает создание теплового комфорта при наименьших затратах.
205
Рис. 5.34. Южный (внизу} и западный (вверху) фасад-разрезы гелиокомплекса
по внутреннему двору
Рис. 5.35. Солнцезащита южных фасадов
зданий
Рис. 5.36. Солнцезащита восточных и запад-
ных фасадов зданий
206
5.6. Примеры решения различных типов
энергоактивных зданий в гелиокомплексах
В. В. Захаров
Для архитектурного облика и объемно-планировочного решения «солнеч-
ного дома» определяющими являются расположение и конструкция гелиотехни-
ческих устройств. По характеру размещения солнцеприемников эти здания
можно разделить на несколько типов: с отдельно стоящими солнцеуловителями,
размещенными вне дома или на покрытии; с плоским покрытием, используемым
в качестве солнцеуловителя; с коллекторами, вмонтированными в скатные
покрытия; с коллекторами, вмонтированными в стеновые ограждения. Если
солнцеуловители конструктивно не входят в состав здания, то это приводит
к дублированию конструкций и увеличению нагрузки на покрытие.
Солнцеуловители в виде плоских коллекторов можно вмонтировать в ограж-
дение конструкций зданий. Эти коллекторы органически входят в состав конст-
рукции здания и выполняют одновременно несущие, ограждающие и теплотех-
нические функции.
Существенным является определение оптимального угла наклона коллекто-
ра к горизонту. Максимальная потребность в теплоте для отопления ощущается
зимой, когда солнце расположено низко над горизонтом. Если система рассчита-
на на охлаждение здания и горячее водоснабжение в жаркий период, то макси-
мум потребляемой энергии падает на летние месяцы. В этом случае целесообраз-
но принимать меньший угол наклона коллектора к горизонту, с тем чтобы сол-
нечные лучи падали перпендикулярно его плоскости при высоком солнцестоянии.
В зимнее время вертикальные поверхности получают солнечной энергии
больше, чем горизонтальные. Поэтому в домах с солнечным отоплением коллек-
торы чаще всего размещаются в стенах, которые могут быть наклонными.
Коллекторы можно располагать в ограждениях, образующих систему
плоскостей с различными наклоном к горизонту и ориентацией по азимуту, что
позволяет лучше приспособиться к суточным и сезонным перемещениям солнца.
Имея различную ориентацию, коллекторы попеременно воспринимают солнеч-
ную энергию в течение светового дня.
Коллекторы или отражающие плоскости должны составлять определенный
унифицированный модульный ряд, увязанный с основной конструктивной систе-
мой функционально-планировочных элементов, с шагом колонн и высотой эта-
жей. Различные сочетания элементов наружных ограждений вписываются в сет-
ку конструктивной системы комплекса, что объединяет разнообразные элементы
в единое целое и согласует различные элементы фасада, примыкающие друг
к другу, в соответствии с художественным замыслом автора.
В СССР разработано архитектурно-техническое решение стендово-лабора-
торного многоэтажного энергоактивного здания с целью повышения эффектив-
ности солнечного энергоснабжения и утилизации энергии (рис. 5.41 и 5.42).
Многоэтажное энергоактивное здание включает несущие и ограждающие конст-
рукции. Часть ограждающих конструкций снабжена коллектором солнечной
энергии. Коллектор состоит из звеньев, которые, в свою очередь, состоят из пло-
ских панелей или панельных блоков с гелиоприемниками и, если необходимо,
с солнечной ловушкой из селективного остекления. Звенья коллектора состы-
кованы горизонтально или наклонно ориентированными торцами и образуют
выпуклый по отношению к падающему солнечному лучу двугранный угол, а
между аналогично ориентированными смежными торцами панелей, состыко-
ванными друг с другом, образован вогнутый по ходу солнечного луча угол.
Верхнее звено коллектора отклонено от вертикали в сторону ствола цент-
рального лестнично-лифтового блока. При этом звено коллектора имеет угол на-
клона к горизонту а, который может быть принят в диапазоне значений от (л/2—
207
—Лоз™) до (л/2—/г^лет)- Отклонение одного звена в сторону, противополож-
ную отклонению другого звена, обеспечивает включение в систему энергособи-
рающих ограждений наклонного покрытия малоэтажной части, примыкающей
к высотному блоку здания.
Принятый диапазон углов обеспечивает оптимальную сезонную работу
звеньев коллектора. Так, верхнее звено с его более крутым, чем нижнее, накло-
ном обеспечивает наиболее эффективное поступление и сбор солнечной энергии
в зимние месяцы, а также высокие эксплуатационные качества панелей коллек-
тора за счет пониженной их загрязняемости или самоудаления слоя снега.
Граничные значения углов наклона верхнего звена, указанные выше, одно-
значно определены наиболее эффективным значением площади экспонирования
этого звена коллектора в расчетный период (зима или лето). Выход за границы
указанного диапазона приведет к уменьшению эффективности энергоснабжения
данного звена коллектора в течение всего светового дня как в расчетный период,
так и в течение всего годового цикла.
Более пологие углы наклона нижнего звена обеспечивают в пределах до-
пустимого диапазона значений угла более интенсивное и автоматически дости-
гаемое сезонное повышение энергооблученности его в летний период, что обеспе-
чивает улучшение условий приготовления горячей воды. Зимой при более низких
лучах увеличивается доля отраженных от селективного остекления ловушки
лучей, которые при этом не рассеиваются в атмосферу, а большей своей частью
поступают затем к гелиоприемнику вертикального звена, увеличивая общую
эффективность работы коллектора.
В вариантных решениях многоэтажного здания возможно выполнение гелио-
приемника из фотоэлектрических преобразователей, дополненных каналами
теплообменника. При этом каналы теплообменника замкнуты в режиме рецир-
куляции с потребителем или аккумулятором через систему регулируемых венти-
лей. В строительстве данного энергоактивного здания используются бетон, же-
лезобетон, строительные стали, алюминий, стекло, пластмассы и эффективная
теплоизоляция.
Энергоактивная система здания работает следующим образом: в холодное
время года низкие солнечные лучи падают под оптимальными углами на верхние
и нижние звенья, ориентированные на южный азимутальный сектор коллектора.
Вследствие большой суммарной площади последнего обеспечиваются повышен-
ное улавливание, преобразование и утилизация солнечной энергии в системах
отопления и горячего водоснабжения (или энергоснабжения здания). Нижнее
звено в зимний период рассматривается в качестве резервного; за счет отраже-
ния значительной части лучей солнца, скользящих под малыми углами к его
остеклению, происходит дополнительная подача потоков солнечной энергии
к вертикальному звену.
В летнее время, когда энергетические потребности здания уменьшены, основ-
ное по площади вертикальное звено коллектора имеет меньшую энергетическую
нагрузку вследствие неоптимальных для него углов падения более высоких
солнечных лучей, чем улучшается общий энергобаланс здания. Основным рабо-
чим звеном становится нижнее звено коллектора, которое в этот период имеет
наиболее эффективную площадь экспонирования. Кроме того, к нему поступают
дополнительные потоки солнечной энергии, отраженные от остекления верти-
кального звена коллектора.
По данным предварительных технико-экономических расчетов предлагаемое
решение обеспечивает повышение энергетической эффективности улавливания
коллектором солнечной энергии в многоэтажных зданиях типа башен в 1,8—4,7
раза по сравнению с другими известными решениями, в которых коллектор рас-
полагали только на крыше здания.
В СССР разработано архитектурно-техническое решение эксперименталь-
ного энергоактивного промышленного здания с гелиотеплицами. Это решение
208
Рис. 5.37. Солнцезащита юго-западных и юго-
восточных фасадов с диагональными наклон-
ными экранами
Рис. 5.38. Солнцезащита для всех ориентаций
зданий с диагонально-ломаными экранами
Рис. 5.39. Солнцезащита круглого в плане
здания
Рис. 5.40. Вариант солнцезащиты здания
сложного профиля
Рис. 5.41. Южный фасад многоэтажного энер-
гоактивного стендово-лабораторного здания
209
повышает эффективность и универсальность использования солнечной энергии
при одновременном улучшении длительных экспуатационных характеристик
отражателя (рис. 5.43).
Энергоактивное здание содержит блок, объединяющий коллектор с солнеч-
ной ловушкой, и аккумулятор. Коллектор снабжен отражателем, состоящим из
поворотных панелей, которые шарнирно прикреплены одним из торцов к верши-
не так, чтобы был возможен поворот в пределах угла между гранями коллекто-
ра. Коллектор выполнен ломаным в поперечном сечении с образованием вогну-
того по ходу солнечных лучей двугранного угла. Одна из граней коллектора
наклонна и расположена на наклонной грани аккумулятора, обращенной к солн-
цу. Другая грань коллектора горизонтальна.
Солнечная ловушка содержит не менее двух селективно прозрачных остек-
ленных граней, образующих в поперечном сечении выпуклый по ходу солнечных
лучей двугранный угол с вершиной, обращенной к солнцу. Число светопрозрач-
ных граней солнечной ловушки может быть больше двух с преимущественным
образованием между ними выпуклых углов. Призматическая конфигурация
ловушки должна обеспечивать беспрепятственный поворот панелей отражателя
вокруг шарнира в пределах полного угла от наклонной до горизонтальной
граней коллектора. Коллектор содержит гелиоприемник с поглотителем солнеч-
ной энергии и теплообменником, чаще всего трубчатого типа, сообщенным по
теплоносителю с аккумулятором и через каналы — с потребителем энергии
в здании.
В строительстве энергоактивного здания используются бетон, железобетон,
кирпич, дерево, алюминий, стекло, пластмассы, а также неорганические или по-
лимерные утеплители и герметики. Гелиотехническая система здания работает
следующим образом. При необходимости ускоренной подачи тепловой энергии
потребителю в начале периода облучения солнечной радиацией, после ночи или
ряда бессолнечных дней поворотные панели экрана устанавливают в вертикаль-
ное положение или под иным углом, обеспечивающим максимальную подачу до-
полнительной солнечной энергии к горизонтальным панелям коллектора, связан-
ным по теплоносителю непосредственно через канал с потребителем в здании,
минуя аккумулятор. В дальнейшем панели экрана переводят в горизонтальное
положение и обеспечивают подачу дополнительной солнечной энергии на гелио-
приемник наклонными панелями коллектора, непосредственно объединенными
с аккумулятором, и в зависимости от потребностей здания в энергии подают
теплоту к потребителю или накапливают энергию в аккумуляторе впрок.
Энергоактивное здание обеспечивает повышение эффективности и универ-
сальности использования солнечной энергии за счет более гибкого регулирова-
ния и переключения подачи энергии непосредственно потребителю или в аккуму-
лятор. Кроме того, в таком здании в течение длительного времени сохраняются
высокие эксплуатационные качества отражателя, поскольку его высокочувстви-
тельный направленно отражающий слой, обычно выполняемый из полирован-
ного металла, например напыленного в вакууме слоя алюминия, защищен от за-
грязняющего и разрушающего воздействия внешних факторов.
По предварительным данным, это техническое решение повышает энергети-
ческую экономичность здания на 16—23% по сравнению с подобными зданиями,
в которых применялись нерегулируемые экраны, и вдвое уменьшает число про-
филактических мероприятий по обслуживанию и ремонту отражателей в системе
коллектора солнечной энергии.
210
Рис. 5.42. Разрез многоэтажного энергоактив-
ного здания
Рис. 5.44. Разрез гидроэлектростанции
Рис. 5.45. Планы ГЭС
Рис. 5.43. Гелиотеплица энергоактивного здания (общий вид и разрез)
211
5.7. Многофункциональные гидрогелиокомплексы
В. В. Захаров
Гидроузел является крупным промышленным сооружением, имеющим ком-
плексное назначение. Он позволяет получать гидроэлектроэнергию, проклады-
вать глубоководный путь на значительном протяжении реки, осуществлять
забор воды из реки и отвод ее по каналам для орошения, обводнения и водоснаб-
жения и т. д. Поскольку гидроэлектростанции не имеют вредных отходов, они не
требуют создания санитарно-защитной зоны. ГЭС представляет сложный техно-
логический комплекс гидротехнических сооружений, расположенный на терри-
тории, окруженной водой, и является относительно экологически чистым. Эти
факторы, а также наличие плотин, которые встречаются во всех системах гидро-
энергетических узлов, во многих случаях создают идеальные условия для наде-
ления гидроузла еще одной функцией, а именно, образования на его базе много-
функционального гидрогелиокомплекса.
Состав и тип гидрогелиоэнергетических сооружений, их размеры, форма,
конструктивные особенности, стоимость и условия работы зависят от их назначе-
ния, а также от топографических, гидрологических, инженерно-геологических
и природно-климатических условий района возведения. Поскольку конкретные
природные условия в совокупности практически не повторяются, объемно-
пространственной композиции каждого отдельного гидрогелиокомплекса свой-
ственна глубокая индивидуальность, определяющая своеобразие его архитек-
турного решения.
Важным и ответственным элементом гидрогелиоэнергетического узла явля-
ется плотина — подпорное сооружение, поднимающее воду на необходимую вы-
соту и подвергающееся воздействию различных сил, среди которых основной яв-
ляется горизонтальная сила давления воды. Конструкции плотин по принципу
работы бывают гравитационные, в которых сопротивление действию горизон-
тальных сдвигающих сил оказывает в основном лишь собственный вес сооруже-
ния, и облегченные — арочные и контрфорсные плотины, в которых горизон-
тальная нагрузка от воды передается почти полностью берегам и основанию
сооружения.
В отличие от большинства промышленных предприятий, где строительная
часть образует пространство для размещения различного технологического
оборудования, конструкции и основное оборудование гидросолнечной электро-
станции составляют нераздельное целое. В каждом конкретном случае создается
индивидуальная конструктивная система, запроектированная в соответствии
с принятыми типами основного оборудования — турбинами и генераторами, где
тело плотины может являться также основанием для поярусной установки гели-
остатов. Это высотное сооружение с солнечным парогенератором, включающее
турбины генератора, системы автоматическогс слежения за солнцем и системы
теплового аккумулирования (рис. 5.44 и 5.45).
Взаимодействие неразрывно связанных между собой строительной части
и оборудования ГЭС и солнечной электростанции (СЭС) обеспечивает получе-
ние электрической энергии. Таким образом, система ГЭС — СЭС в целом пред-
ставляет собой сложный механизм, преобразующий механическую энергию паде-
ния воды в электрическую и осуществляющий термодинамическое преобразова-
ние солнечной энергии в электрическую или прямое преобразование солнечных
лучей в электричество (фотогальванический метод). Здесь две системы взаимо-
дополняют друг друга (рис. 5.46).
Планировочное решение гидрогелиокомплекса теснейшим образом связано
с особенностями природно-климатических условий. При разработке архитек-
турно-планировочных решений необходимо придерживаться следующих общих
принципов. Каждое сооружение в составе гидроэлектростанции должно наи-
212
лучшим образом выполнить свои функции и не мешать работе других соору-
жений.
При определении мест расположения основных сооружений комплекса не-
обходимо учитывать размещение потребителя энергии, возможности последую-
щей реконструкции и расширения, размещения подсобно-вспомогательных
предприятий, постоянных и временных жилых поселков, целесообразность
использования напорных сооружений в качестве несущей конструкции для со-
здания промышленно-селитебного гелиокомплекса (рис. 5.47), а также для раз-
мещения высотных теплиц с энергоактивными элементами (рис. 5.48), использо-
вание тела плотины для размещения при благоприятных условиях гелиотехни-
ческих сооружений — установки блоков зеркал, образующих поверхность гипер-
болического параболоида (концентратор солнечной энергии) (рис. 5.49), и по-
ярусной установки гелиостатов, образующих гелиостатное поле.
Специфика гидротехнических сооружений, обусловленная комплексным
характером использования водных ресурсов, местоположением и конструкциями
гидроузлов, позволяет выделить их в особую область промышленных сооруже-
ний. Местоположение и типы сооружений гидроузла, как правило, обосновы-
вываются функционально-технологическими соображениями, которые являются
исходными данными для решения гелиотехнических и архитектурных задач.
Поэтому архитектор также является лицом, определяющим основной технологи-
ческий и конструктивный замысел непосредственно гидрогелиоэлектростанции.
Различие природно-климатических условий, разнообразие используемых
строительных материалов и гелиотехнических сооружений делают архитектур-
ный облик даже сходных по своим основным параметрам гидрогелиокомплексов
неповторимым. Многофункциональный гидрогелиокомплекс оказывает большое
влияние на формирование окружающего района, вместе с тем архитектурно-
художественный облик комплекса оказывает огромное эмоциональное воздейст-
вие на человека. Все эти особенности создают достаточную свободу для проявле-
ния творческой индивидуальности архитектора, без чего невозможно создание
архитектурного облика многофункционального комплекса.
В основе любого архитектурного проекта ГЭС—СЭС должен лежать общий
замысел объемно-пространственной композиции. Выбор композиции зависит
от назначения отдельных сооружений и группы сооружений, входящих в состав
комплекса. Уникальность сооружений многофункционального гидрогелиоком-
плекса на базе гидроузла, гигантский масштаб строительства, количество сил
и средств, вложенных народом, сама идея покорения стихии воды и солнца чело-
веком — все это будет оказывать огромное влияние на сознание людей. Облик
таких комплексов будет влиять на формирование общественного сознания и
вкуса. Весь ансамбль гидрогелиокомплекса должен являться могучим средством
монументальной пропаганды.
Экономический эффект гидрогелиокомплексов достигается путем повышения
технологичности, улучшения основных эксплуатационных качеств, экономич-
ности и снижения приведенных затрат за счет более стабильной выработки элек-
троэнергии, сокращения длины технологических коммуникаций, упрощения
конструктивных решений, уменьшения количества строительных материалов
для них и высвобождения больших территорий при блокировке и органичном
слиянии различных функций на базе гидроузлов.
5.8. Проектирование и строительство
гелиокомплекса «Солнце»
В. В. Захаров
В ряде научных учреждений СССР проводились исследования в области
высокотемпературной технологии с использованием концентрированной солнеч-
ной энергии. Трудно сейчас назвать крупную научно-техническую проблему, ре-
213
шение которой не было бы связано с использованием материалов особой чисто-
ты. Такие материалы еще недавно изготовлялись в небольших количествах
в научных лабораториях для исследовательских целей. Для изготовления мате-
риалов высокой чистоты обычно используются многоступенчатые процессы
с последовательным применением химических и физических методов. Сложность
их настолько велика, что по мнению одного из видных ученых в этой области
академика Н. Б. Сажина, есть все основания считать настоящим научным под-
вигом разработку технологических методов получения веществ высокой чи-
стоты.
В соответствии с заданием Физико-технического института Академии наук
Узбекской ССР запроектирован научно-производственный гелиокомплекс
«Солнце» (рис. 5.50), открывающий новую отрасль металлургии (руководитель
авторского коллектива — архит. В. В. Захаров). Это комплекс сооружений
нового типа. При его разработке возникла необходимость в проведении глубоких
исследований в области проектирования, так как методы, получившие широкое
распространение при проектировании промышленных зданий, не могли быть
полностью перенесены на здания и сооружения, в которых используется солнеч-
ная энергия.
Новые типы сооружений потребовали и новых архитектурных форм, выра-
жающих их сущность. Одной из опорных идей пространственной композиции
было создание новых типов сооружений для Средней Азии с использованием
достижений многих сфер современной науки и техники и в то же время стремле-
ние сделать современную архитектуру национальной. При этом учитывалась
информативная роль цвета в зависимости от функционально-планировочных
характеристик сооружений.
Структурная организация комплекса «Солнце» кроме сооружений, в которых
непосредственно осуществляется технологический процесс, включает ряд со-
путствующих подразделений. К ним относятся отделы, занимающиеся разработ-
кой технологии, теоретическими исследованиями, математическим обеспече-
нием, инженерно-техническим обслуживанием, а также административные
подразделения. Структурная организация всех подразделений наряду с техно-
логическим процессом является стержнем объемно-планировочной организа-
ции комплекса «Солнце».
Объемно-планировочная структура соответствует функциональной структу-
ре, но в то же время играет и самостоятельную роль в архитектурном решении.
В данном комплексе применен исторически сложившийся в условиях сухого
жаркого климата прием замкнутой композиции. Для планировки характерны
замкнутая композиция и повышенная плотность застройки, которая обеспечи-
вает максимальную затененность вертикальных и горизонтальных плоскостей.
Особенности функциональной структуры объекта, а также рельеф местности
определили необходимость спроектировать научно-производственный комплекс,
состоящий из пяти основных подразделений: технологической башни, концент-
ратора, гелиостаточного поля, главного корпуса и инженерного корпуса (вторая
очередь).
Технологический процесс осуществляется следующим образом. Поступаю-
щие от гелиостатов солнечные лучи, отражаясь от элементов зеркала концентра-
тора, собираются в фокусе на гелиоприемнике солнечной печи, где происходит
высокотемпературный технологический процесс. Концентратор устанавливает-
ся неподвижно с ориентировкой оптической оси в направлении север — юг.
Лучистый поток отражается на концентратор гелиостатами, которые следят за
солнцем в течение всего рабочего дня. Почти вся солнечная радиация попадает
на параболическую зеркальную поверхность и собирается в фокусную точку
диаметром 40 см. Излучение соответствует излучению абсолютно черного тела
при температуре 3700° С.
Технологическая башня, предназначенная для установки солнечной печи
214
Рис 5.46. Плотина, снабженная солнечными рис. 5.49. Разрез плотины ГЭС. совмещенной
батареями с концентратором солнечной энергии
Рис. 5.50. Общий вид гелиокомплекса «Солн-
це»
Рис. 5.48 Разрез плотины ГЭС с размещением
ни ней гелиотеплиц
Рис. 5 47. Промышленно-селитебный гелиокомплекс нс базе гидроузла
215
в фокальной зоне, имеет семь этажей с верхним отсеком и стволом, который
соединен с производственным зданием, а верхняя ограждающая грань имеет
монтажный проем с раздвижными секциями для замены печей. На торце верх-
него отсека башни, обращенного к концентратору, предусмотрены жаропрочные
раздвижные створки.
Каркас технологической башни состоит из металлоконструкций, смонтиро-
ванных с опиранием на фундаментную плиту подземного блок-этажа. Ограж-
дающие конструкции выполнены из легких навесных панелей типа «сэндвич»
с окантовкой оксидированным алюминием, в качестве утеплителя применяют
минераловатные плиты.
Концентратор (рис. 5.51) представляет собой прямоугольную «высечку» из
параболоида вращения с зеркальной отражающей поверхностью и предназна-
чен для фокусирования падающего на него лучистого потока в заданной фокаль-
ной плоскости, в которой расположена приемно-рабочая камера технологиче-
ской. башни, предназначенная для использования лучистой энергии потока.
Оптическая ось концентратора направлена с юга на север. При этом его фокаль-
ная плоскость находится с северной стороны. Ограждающая зеркальная поверх-
ность набирается из отдельных зеркальных элементов — фацет — размером
0,45X0,45 м. Каждая фацета крепится к каркасу с помощью устройства, обеспе-
чивающего возможность юстировки. Для подъема на площадки концентратора
предусмотрен грузопассажирский лифт грузоподъемностью 500 кг. Открытая
лестница соединена с обслуживающими площадками легкими открытыми пере-
ходами. В центре концентратора имеется пирометрическая лаборатория. Для
предохранения несущих металлоконструкций концентратора от прямых солнеч-
ных лучей против деформации сверху с торцов и с южной стороны сооружение
закрывается солнцезащитой с цветными экранами, создающими два концентри-
ческих круга — эмблему комплекса, выполненную средствами суперграфики. На
верхней отметке концентратора устроена смотровая площадка, а завершает
сооружение блок светящихся красных визирных марок, которые необходимы для
юстировки 62 гелиостатов.
Строительная конструкция концентратора солнечной энергии состоит из
опорной части, выполненной в виде системы попарно объединенных встречно-
наклонных разновысоких ферм, поярусно раскрепленных горизонтальными
связевыми фермами. Каждая пара встреч но-наклонных ферм смещена в плане
относительно смежных таким образом, что одноименные опорные элементы ферм
системы размещены в плане на двух условных параллельных параболах.
Главная вертикальная оптическая плоскость совмещена с плоскостью сим-
метрии концентратора, который с тыльной стороны снабжен вертикально уста-
новленной лестнично-лифтовой башней.
Общая жесткость и устойчивость сооружения обеспечивается тем, что ме-
таллокаркас концентратора жестко связан двумя фундаментными плитами,
выполненными из монолитного железобетона.
Гелиостатное поле — система отдельно стоящих гелиостатов, которая долж-
на обеспечивать направление отраженных от нее солнечных лучей, параллель-
ное оптической оси гиперболического параболоида, независимо от положения
солнца на небосводе. Площадь зеркальной поверхности каждого гелиостата
равна 50 см2. При слежении за солнцем зеркала будут поворачиваться как по
вертикали,так и по горизонтали.
В память ЭВМ заложено управление движением гелиостатов на каждый
день. В соответствии с движением солнца будут автоматически меняться ско-
рость и углы перемещения зеркал.
Для объекта «Солнце» применена азимутально-зенитная схема слежения за
солнцем. В этой схеме предусматривается раздельное вращение зеркал вокруг
двух пересекающихся взаимно перпендикулярных осей. Зеркало гелиостата со-
вершает составное движение, представляющее собой два вращательных движе-
216
ния. Вращение вокруг вертикальной оси вместе с горизонтальной — переносное,
вращение вокруг горизонтальной оси — относительное.
Гелиостатное поле имеет ступенчатую форму. Для уменьшения взаимного
затенения гелиостаты располагаются в шахматном порядке на специальных
террасах.
В конструкцию сооружения входят уложенная на основание железобетонная
плита, имеющая в продольном сечении ломаное очертание и общий уклон террас
1:5, выполненная в виде монолитной железобетонной платформы, и подпорные
стены. Подпорная стена содержит вертикальные элементы — монолитные сер-
дечники и контрфорсы коробчатого сечения, образующие ниши, которые служат
фундаментами под гелиостаты, а также используются как помещения для уста-
новки щитов управления. Покрытие гелиостатного поля выполнено из бетонных
плит трех цветов, образующих рисунок ковра национального орнамента.
Главный корпус состоит из нескольких зданий, сблокированных между
собой, — двух производственных, двух лабораторных и административного
здания со столовой, конференц-залом, библиотекой и парадным четырехсветным
атриумом. Конструкции главного корпуса выполнены из стандартных железо-
бетонных элементов антисейсмических серий ИИС-20 и ИИС-04. Ограждающие
конструкции — навесные керамзитобетонные панели с фактурным слоем из
белого цемента с белой мраморной крошкой. Глухие плоскости стен облицовы-
ваются белым мрамором местных месторождений. Для защиты зданий от пере-
грева устроены проветриваемые кровли и применена солнцезащита в виде трех-
мерной стальной кадмированной решетки с горизонтальными и вертикальными
солнцезащитными экранами (в зависимости от ориентации зданий), представ-
ляющими собой солнцеотражающее стекло. Внутри главного корпуса находится
большой двор с розарием и площадками для отдыха, а в геометрическом центре
двора предусмотрены бассейн и фонтаны (рис. 5.52). Вокруг бассейна будет
создан цветной ковер из живых цветов. Внутренний двор через четырехпролет-
ный проем объединяется с обширным плато, которое расположено с южной
стороны комплекса, ограниченной подпорной стеной. Перед главным входом
запроектирована накопительная площадь, замыкающая поперечную с запада
на восток магистраль. На площади справа от входа располагается скульптурная
группа «Гелиос».
Проектом предусмотрено дальнейшее расширение комплекса. Инженерный
корпус будет состоять также из нескольких зданий, сблокированных между
собой: лабораторного здания с блоком экспериментальных печей, криогенного
здания и здания ВЦ. Конструкция инженерного корпуса выполняется из элемен-
тов антисейсмических серий ИИС-20 и ИИС-04 с частичным применением моно-
литного железобетона и металла. Солнцезащита решена единой для главного
и инженерного корпуса. Ее орнаментальный характер помогает объединить все
здания и сооружения в единый комплекс, делает их объемы легкими, воздуш-
ными, хорошо вписывающимися в ландшафт местности и создает эффект
«слияния» объемов зданий с окружающим пространством.
Внутренний двор инженерного корпуса заглублен по отношению к главному
корпусу и частично затенен перголой. Последняя представляет собой структуру
с солнцезащитными экранами, которые могут быть тонкослойными солнечными
батареями. По краям структур устроены две галереи, соединяющие два корпуса
по третьему этажу. Южный фасад центрального объема решен в виде вогнутого
зеркального экрана, позволяющего использовать солнечную энергию для энер-
гообеспечения здания.
Проектируемые подразделения объединены в несколько групп. Разработаны
крупные объемно-пространственные модули с унифицированной планировкой на
целый этаж, составившие основу построения всего комплекса.
Гелиокомплекс выполняется из материалов, применяемых в строительстве
и гелиотехнике, с использованием для строительных конструкций бетона, желе-
217
Рис. 5.52. Внутренний двор гелиокомплекса
218
зобетона, металлов, жаростойких сплавов, а для гелиотехнических элементов —
полированных зеркал, стекла, пластических материалов.
При решении интерьеров учитывались все факторы пространственного
и микроклиматического окружения, в соответствии с чем были выбраны ограж-
дающие конструкции и внутренняя отделка помещений. В интерьерах исполь-
зуется резьба по ганчу, орнаментальные росписи, керамика, гобелены, мозаич-
ные панно, цветные витражи. Орнаментальное покрытие, зелень, декоративная
скульптура должны не только обеспечить условия для отдыха, но и создать высо-
кий уровень визуального комфорта, благотворно влияющий на творческое со-
стояние работающего человека.
При проектировании комплекса авторы стремились создать современную
архитектуру с учетом национальных традиций, опираясь при этом не на внешние
проявления национальной художественной культуры, а на ее глубинные, устояв-
шиеся и сохранившие свою жизненность особенности, на соблюдение пропорций,
излюбленной колористической гаммы и других «способов видения» окружаю-
щего мира, так как основой в решении проблемы развития национальных форм
является традиция в единстве с современной техникой.
Проработка социальных, функциональных и конструктивно-строительных
проблем помогла в конечном счете сформировать эстетический образ гелиоком-
плекса «Солнце». Объект со столь разнообразными характеристиками отдель-
ных своих частей, обобщенных в едином комплексе, при правильной компози-
ционной обработке, основанной на определенной творческой концепции с учетом
национальных традиций, должен получить новое эстетическое выражение.
Проект научно-производственного гелиокомплекса «Солнце», представлен-
ный на II Всесоюзный смотр-конкурс на лучший проект года в Союз архитек-
торов СССР, получил высшую оценку жюри и отмечен золотой медалью. На
III Всемирном конкурсе-смотре Биеннале-85 в Софии проект стал лауреатом
и награжден медалью и дипломом.
5.9. Архитектурная разработка энергоактивных
промышленных зданий
Е. С. Абдрахманов
5.9.1. Обоснование архитектурной разработки энергоактивных промышлен-
ных зданий. Размещение энергоактивных промышленных зданий связано с ана-
лизом и оптимизацией соотношения территориально-градостроительных и энер-
гетических факторов. Дальнейшее развитие энергоактивных промышленных
зданий позволит повысить социально-экономическую эффективность строитель-
ного комплекса с учетом экологических характеристик — определением суммар-
ного воздействия на природную среду комплекса производства. Один из аспек-
тов оптимизации промышленных комплексов — ограничение отрицательного
воздействия на природу: формирование «безотходных» комплексов производств,
широкое использование в производственных и бытовых целях возобновляемых
источников энергии и вторичных энергоресурсов, рациональное размещение
производств в природном комплексе. Учет природных факторов является важ-
ной предпосылкой принятия функционально-планировочных и конструктивных
решений энергоактивных промышленных зданий по созданию комфортных
условий эксплуатации производственных и вспомогательных объектов, удовле-
творения экономическим и эстетическим требованиям строительства. Природно-
климатическая типология зданий подробно освещена в литературе. В развитие
этого вопроса внесли известный вклад КиевЗНИИЭП, ЛенЗНИИЭП,
ТбилЗНИИЭП, ТашЗНИИЭП и другие организации. Здесь будут рассмотрены
факторы, оказывающие влияние на формирование и развитие современных
219
типов энергоактивных производственных и вспомогательных зданий. Эти вопро-
сы в отечественной практике пока еще не разработаны в достаточной степени.
В последнее время наметилась тенденция проектирования крупных комплексов
из отдельных элементов-блоков или блоков-зданий, что должно удовлетворять
требованиям строительства в сложных горно-геологических условиях
(рис. 5.53).
На выбор оптимальных габаритов энергоактивных блоков промышленных
зданий помимо учета нормативных требований разрезки существенное влияние
оказывает функциональная организация предприятия, основанная на единстве
энергоактивных архитектурно-конструктивных систем с современной техноло-
гией производства. Рассмотрение промышленного здания как единой теплоэнер-
гетической системы с многообразием составляющих его элементов, в которых
протекают различные по физической сущности процессы поглощения, превраще-
ния и переноса тепловой энергии, позволяет архитектору использовать новые
приемы функционально-планировочной организации здания. Рассмотрим эф-
фективность энергосберегающих мероприятий и проектных решений промыш-
ленных зданий (ожидаемая экономия за год дана в % к затрачиваемой в настоя-
щее время энергии)1 [6]:
воспитание у людей сознания необходимости экономного расходования
энергии, улучшение культуры обслуживания систем энергоснабжения здания,
повышение качества строительства — 6—8%;
реконструкция зданий и систем отопления и вентиляции— 10—15%;
использование для отопления нетрадиционных видов энергии: солнечной
радиации, теплоты поверхностных слоев земли, извлекаемой тепловым насо-
сом, — 14—17%;
повышение эффективности системы отопления и вентиляции:
использование автоматизированной системы для регулирования подачи
теплоты — 20—30%;
утилизация теплоты вентилируемого воздуха— 10—12%;
совершенствование конструкций осветительных установок, рациональное
использование искусственного и естественного света — 4—6%;
совершенствование объемно-планировочных решений зданий и их помеще-
ний—5—8%;
строительство экспериментальных энергетически экономичных зданий и
внедрение результатов экспериментов в типовое проектирование—8%;
совершенствование нормативных документов, теоретических основ и методов
расчета — 6—8%.
Определенное влияние на расход тепловой энергии оказывает геометриче-
ская форма здания. В компактном здании теплопотери значительно ниже, чем
в зданиях сложной формы. Увеличение протяженности здания с 50 до 150 м
уменьшает его теплопотери на 5—7%, увеличение ширины с 12 до 16 м — на
9—10%, увеличение высоты с 5 до 9 этажей — на 3—5%. Уменьшение отноше-
ния площади окон к площади стен промышленных зданий с 0,6 до 0,25 сокращает
годовые затраты на отопление в 1,5 раза. Функциональная организация пред-
приятия приводит, как правило, к компактной прямоугольной форме плана.
Исходя из природно-климатических, конструктивно-технологических условий
и требований организации строительного производства энергоактивные блоки-
здания также должны приближаться к компактной форме с ограниченными
габаритами, позволяющими создавать оптимальную в гелиотехническом отно-
шении ориентацию по гелиотермической оси, освещенность и инсоляцию произ-
водственных помещений и применять наиболее рациональную энергоактивную
архитектурно-конструктивную систему.
' При совместном применении суммы мероприятий их относительный вклад снижается
(Прим. ред.)
220
Открытая система типизации
Оптимизация элементов
энергоактивных систем
Открытая система строительного
производства
Вариантность объемно-планировочных
решений
Открытая энергоактивная
архитектурно-конструктивная система
Основы методики проектирования
Региональная типизация
Рис. 5.53. Основы методики проектирования промышленных энергоактивных здании мас-
сового строительства
О Экраны
О Покрытия
О Стены
О Энергоактивные
конструкции
светопроемов:
о окна
о зенитные фонаре
О Теплозккумулиру-
ющие конструкции
Применение
функциональных
типизированных
энергоактивных
элементов
О Мобильные
О Со следящим
коллектором
О С регулируемой
знергоактивностью
и концентрацией
солнечных лучей
О Фокусирующие
коллекторы
О С внутренним
отражателем
и внешним
аккумулятором
О Пром ышленныв:
о производственные
о вспомогательные
о склады и
инженерные
сооружайия
О Одноэтажные
О Двухэтажные
О Многоэтажные
О Интерьер
Комплексный
охват
всех типоа
энергоактивных
зданий
О Многофункцио-
нальные
О Энергоактивные
из одного и более
зданий с внешним
отражателем
О С увеличением
энергоактивности
за счет другого
объекта
о Сблокированные из
объектов различ-
ного назначения
Выбор объекта типизации
О Метод компоновки энергоактивных зданий
Рис. 5.54. Система модульного формирования
промышленного энергоактивного комплекса,
повышающая энергетическую эффективность
зданий в поле солнечной радиации
Рис. 5.55. Производственный энергоакт ивный
комплекс с использованием в технологическом
процессе теплоты сбросовых вод ТЭЦ и АЭС
221
Рис. 5.56. Модульный энергоактивный блок
с покрытием в виде вогнутого отражателя
и следящим гелиоприемником, предназначен-
ный для компоновки технологических линий
(производств)
Рис. 5.57. Энергоактивные модульные блоки
с защитными поворотными экранами-отража-
телями
Рис. 5.58. Система модульного формирования
промышленного здания с покрытием, совме-
щенным с прерывисто-складчатым коллекто-
ром солнечной энергии
Рис. 5.59. Решение фасада промышленного
энергоактивного здания, объединенного с бло-
ком коллектора и аккумулятора
Рис. 5.61. Производственное здание с пофа
садным многоконтурным энергоактивным ре
шением
Рис. 5.60. Промышленное здание с аккумуля-
тором теплоты сбросовых вод ТЭЦ и АЭС (си-
стема Н. П. Селиванова и Е. С. Абдрахманова)
222
При разработке методики проектирования, в дальнейшем типового, новых
типов энергоактивных промышленных зданий встает задача совершенствования
и развития блочной энергоактивности структуры производственных и вспомога-
тельных зданий и учета основных конструктивных и гелиотехнических требова-
ний, предъявляемых к энергоактивным элементам-блокам, параметры которых
должны отвечать местным условиям строительства (рис. 5.54).
Важная предпосылка к развитию энергоактивных зданий массового строи-
тельства — переход к разработке технической документации для типового
проектирования. Предполагается разработка энергоактивных зданий много-
функционального назначения (рис. 5.55).
В архитектурно-композиционных решениях энергоактивных зданий в оте-
чественной и зарубежной практике наметился определенный штамп: здания
отличаются лишь конструкциями и местоположением гелиоэнергосистем при
сохранении единообразного художественного образа для всех типов зданий.
Такая практика приводит к однообразию внешнего облика зданий и ослаблению
интереса проектировщиков.
Практикуемая гелиозастройка оказывает влияние на создание архитектур-
ных ансамблевых решений, привносит значительные акценты в общую компози-
цию зданий на фоне малоэтажной застройки. С переводом зданий на повышен-
ную этажность отдельные гелиодома теряют свое значение. Одно- и двухэтаж-
ные гелиодома, как правило, имеющие вид повторяющихся прямоугольных коро-
бок, теряются в огромной массе застройки, а часто из-за плохого качества изго-
товления и монтажа гелиоэнергосистем, ветроагрегатов и установок диссони-
руют с окружающей застройкой, имеющей свои архитектурно-композиционные
приемы и акценты. Одной из основных причин стереотипного архитектурного
решения гелиодомов и быстрого морального старения проектов является укоре-
нившаяся в практике методика «штучного» проектирования гелиодомов
с использованием различных типов гелиоэнергосистем, не приведенных в единую
энергоактивную архитектурно-конструктивную систему здания. Это ограничи-
вает возможности вариантного архитектурно-композиционного построения
и универсального использования здания, а также его расширения на
перспективу и создания энергоактивных комплексов, объединяющих промыш-
ленные объекты в энергопромышленные комплексы.
Возникает актуальная задача исследования и разработки методов проекти-
рования энергоактивных промышленных зданий с учетом принципов вариант-
ного формообразования и универсальности внутреннего пространства, отве-
чающих запросам современных социально-экономических и архитектурно-гра-
достроительных требований и условиям создания энергосберегающих техно-
логий производств.
Методика архитектурного проектирования энергоактивных промышленных
зданий массового строительства должна строиться на основе следующих прин-
ципов:
открытой типизации, дающей полную свободу в выборе энергоактивной
архитектурно-конструктивной системы и определяющей архитектурно-планиро-
вочное и объемно-композиционные решения зданий (см. авторские архитектур-
ные разработки систем энергоактивных зданий и гелиокомплексов Н. П. Сели-
ванова, рис. 2.1—2.20 в гл. 2);
комплексного охвата всех типов энергоактивных зданий, связанных с за-
стройкой городов и агропромышленных комплексов, что позволяет в процессе
проектирования создавать не только отдельные типы энергоактивных зданий и
сооружений, но и крупные многофункциональные энергоактивные и энергопро-
мышленные комплексы (рис. 5.56; см. также архитектурные разработки автора
систем биоэнергоактивных зданий Н. П. Селиванова в гл. 2, рис. 2.18 и 2.19);
использования типизированных унифицированных энергоактивных элемен-
тов, позволяющих многовариантное проектирование, замену функционального
223
назначения энергоактивных блоков, дальнейшее развитие энергоактивных
зданий и комплексов (рис. 5.57).
При формировании современных типов энергоактивных производственных
зданий должны быть решены следующие основные задачи:
анализ научных исследований и практики проектирования и строительства
энергоактивных зданий, приемлемых для массового строительства, с целью вы-
явления новых принципов архитектурно-планировочной организации этого типа
зданий, определение качественной и экономической эффективности и путей со-
вершенствования типологических решений энергоактивных зданий;
создание базы проектных данных;
разработка на основе обобщения опыта экспериментального проектирования
и строительства методики проектирования энергоактивных зданий и комплексов
из унифицированных энергоактивных элементов единой энергоактивной архи-
тектурно-строительной системы;
осуществление на практике концепции администрирования баз данных;
выявление направлений перспективного развития энергоактивных промыш-
ленных зданий на основе применения новых энергоактивных архитектурно-кон-
структивных систем, принципов открытой типизации и внедрения методики про-
ектирования;
создание банка данных системы организаций.
5.9.2. Архитектурное формирование энергоактивных промышленных зданий.
Формирование энергоактивной застройки, решенное на основе принципов
укрупнения, кооперирования и блокирования, определяют три основные тен-
денции:
на градостроительном уровне — создание энергоактивных комплексов,
включающих группу зданий и сооружений, образующих единую энергоактивную
систему, объекты которой дополняют друг друга по принципу взаимного пере-
распределения централизованно собранной и аккумулированной солнечной,
ветровой, геотермальной энергии в зависимости от ее дефицита или избытка ’;
на уровне структуры энергоактивного сооружения — энерготехнологическая
интеграция различных типов зданий и создание крупных межвидовых энергоак-
тивных комплексов [2];
на уровне внутреннего пространства — организация многофункционального
энергоактивного пространства, объединяющего различные объемы в единый
структурный организм.
В области функционального зонирования энергоактивных зданий возмож-
но использование двух принципов организации пространства:
создание жестких, определенных технологией, ограниченных в пространстве
энергоактивных зон, располагаемых в наиболее удобных местах с точки зрения
гелиотехнического и монтажного исполнения и взаимосвязи с основными ком-
муникациями здания;
свободное зонирование, организация универсального трансформируемого
энергоактивного пространства, используемого под различные технологические,
эстетические, производственные цели в зависимости от возникающей в различ-
ное время потребности. Все энергоактивные архитектурно-конструктивные
системы должны отвечать принципам свободной планировки. Следовательно,
необходимо добиваться мобильности энергоактивных систем.
Первый принцип функциональной организации энергоактивных промышлен-
ных зданий применяется в комплексах, связанных со сложными технологически-
ми и функциональными процессами, где требуется строгая взаимосвязь отдель-
ных групп помещений и их определенное размещение. Второй принцип применим
' Идея строительных комплексов, включающих энергоактивные здания, работающие как еди-
ная энергетическая система, выдвинута и научно обоснована Н. П. Селивановым с дальнейшей
архитектурной разработкой автора.
224
для организации крупных энергоактивных комплексов и при решении отдель-
ных пространств, предназначенных для универсального использования.
Комплексная оценка проектных решений отдельных энергоактивных объек-
тов по градостроительным, функционально-планировочным, эстетическим и эко-
номическим критериям показала, что энергоактивные здания и комплексы, ре-
шенные на основе прогрессивных принципов архитектурной организации, преж-
де всего укрупнения и кооперирования, приобретают новые качества, соответст-
вующие современным архитектурным требованиям, и экономически более эф-
фективны по сравнению с традиционными типами зданий.
Основные причины недостаточных объемов строительства энергоактивных
зданий — слабое развитие существующих баз по производству необходимых
энергоактивных конструкций, применение методики «штучного» проектирования
энергоактивных зданий с использованием различных типов гелиоэнергосистем,
не приведенных в единую энергоактивную архитектурно-конструктивную систе-
му здания, а также некоторое превышение стоимости строительства по сравне-
нию с традиционными зданиями.
Опыт строительства и эксплуатации зданий, спроектированных на основе
энергоактивных конструктивных решений, уже сейчас выявляет некоторые не-
гативные стороны, присущие этой архитектурно-конструктивной системе. К ним
следует отнести жесткость энергоактивного каркаса в планировочном отноше-
нии, а также наличие инженерных систем, входящих в интерьеры помещений
и затрудняющих организацию «свободного плана», трансформацию помещений
и универсальное использование внутреннего пространства, которое позволяло
бы реагировать на все изменения функциональной структуры сооружения. Одна-
ко эти причины временные и не могут служить тормозом в развитии строитель-
ства энергоактивных зданий.
Такие энергоактивные системы, отработанные конструктивно и технологи-
чески, несмотря на отмеченные недостатки, в настоящее время внедряются
повсеместно. И это закономерно, так как другой конкурентоспособной методики
проектирования и строительства данного типа зданий, которая могла бы ее за-
менить, пока не имеется, а простота изготовления и монтажа конструкций, чет-
кость планировочной и монтажной сетки, ограниченная номенклатура изделий
свидетельствует о том, что эта система в течение ближайших лет будет господ-
ствующей в строительстве энергоактивных зданий. Для решения отмеченных
противоречий необходимо дальнейшее совершенствование энергоактивной
архитектурно-конструктивной системы промышленных зданий.
Первый этап совершенствования системы — улучшение ее конструктивного
решения — практически завершается. Однако мероприятия по усовершенство-
ванию энергоактивной системы относятся к области конструирования, изготов-
ления и монтажа гелиотехнических изделий и почти не затрагивают вопросов
улучшения системы в архитектурно-типологическом отношении. Необходимо
дальнейшее совершенствование энергоактивного каркаса здания с позиций
удовлетворения современным архитектурным требованиям в условиях, макси-
мально приближенных к требованиям типового проектирования (рис. 5.58).
Совершенствование энергоактивного каркаса в архитектурно-типологиче-
ском плане может идти по четырем направлениям:
введение укрупненных энергоактивных элементов;
устройство многовариантных энергоактивных систем, позволяющих заме-
нять морально или материально устаревшие элементы на новое поколение изде-
лий с повышенными эксплуатационными и эстетическими качествами;
добавление в номенклатуру изделий, дающих возможность развития энерго-
активности систем;
введение в номенклатуру дополнительных энергоактивных изделий наруж-
ных ограждающих панелей и архитектурных деталей простенков, окон, солнце-
защитных устройств, повышающих в зависимости от назначения энергоресурсы
225
элементов зданий в поле солнечной радиации и позволяющих проектировщику
свободно оперировать архитектурным образом сооружения (рис. 5.59).
Построенные энергоактивные здания через 20—30 лет уже не будут нас удов-
летворять с точки зрения функциональной организации сооружения, требований
к технологии и оборудованию, возможности изменения функций рабочих площа-
дей, трансформации. Поэтому энергоактивные здания целесообразно проекти-
ровать на основе универсальной энергоактивной архитектурно-конструктивной
системы с укрупненными структурными энергоактивными элементами, меняю-
щими во времени свои функции. Укрупнение энергоактивных элементов, состав-
ляющих каркас здания, и устройство вариантного энергоактивного зонирования
структуры сооружения помимо улучшения архитектурно-типологических
качеств оказывает определенное влияние на снижение массы и материалоем-
кости сооружений, дает новые планировочные возможности в решении сложных
функционально-технологических узлов, а также большую по сравнению с тра-
диционными решениями свободу в объемно-пространственной организации
и создании пластических композиций зданий (рис. 5.60).
Что касается проблемы дальнейшего совершенствования номенклатуры
энергоактивных навесных ограждающих панелей стен, то для ее решения наи-
более вероятны следующие пути:
улучшение существующей номенклатуры энергоактивных навесных панелей
и архитектурных элементов (оконных и входных проемов, солнцезащитных
устройтв, козырьков, террас и др.), что является первоочередной задачей на
ближайший период;
создание новой номенклатуры энергоактивных панелей «на этаж» из легких
конструкций и материалов с применением алюминия, пластмасс, легких утепли-
телей и с введением разнообразных форм оконных проемов — квадратной, круг-
лой, прямоугольной и др. Параллельно могут применяться и ленточные навесные
гелиотехнические панели (по существующей номенклатуре изделий). Эта задача
ставится на последующий период.
Не заменяя несущей части каркаса как основы системы, можно значительно
улучшить и разнообразить его архитектурные качества путем замены наружного
стенового ограждения на легкие энергоактивные навесные панели с примене-
нием новейших эффективных конструкций и материалов. При этом следует по-
высить качество исполнения отделки поверхностей энергоактивных панелей, как
наружной, так и внутренней, применяя алюминиевые, пластмассовые или дере-
воалюминиевые столярные изделия, алюминиевые гелиотехнические элементы
из прокатных листов (или более дешевого материала) и т. д., а также разно-
образить номенклатуру панелей с целью организации вариантных решений
фасадов. При совершенствовании номенклатуры энергоактивных изделий не
следует забывать и криволинейные архитектурные формы, которые почти исклю-
чены из отечественной практики энергоактивного строительства. Архитектурная
проработка автором элементов ветроэнергоактивных и других систем зданий
Н. П. Селиванова (см. гл. 2, рис. 2.7, 2.8, 2.11 — энергетические ловушки, поли-
функциональные элементы ветроагрегатов в конструкциях защиты свето-
проемов и др.) показала, что круглые и иные криволинейные формы не только
эффективны как энергоактивные конструкции, но и несут большую декоратив-
ную и эстетическую нагрузку.
Поэтапная реализация предложений по совершенствованию энергоактивной
системы в архитектурно-планировочном аспекте создает предпосылки организа-
ции универсальной энергоактивной системы (рис. 5.58, 5.61), позволяющей
обеспечить большую гибкость и свободу планировки при энергоактивном зони-
ровании, а также широкую вариантность объемно-пространственных решений
энергоактивных зданий. Разработки могут вестись в различных направлениях:
использование номенклатуры существующих энергоактивных изделий и их
технологии изготовления;
226
Рис. 5.62. Формирование производсгвенных
зданий из энергоактивных модульных блоков
(система И. П. Селиванова и Е. С. Абдрах-
манова)
Рис. 5.63. Использование рельефа места
строительства при формировании энергоак-
тивных промышленных зданий (энергоактив-
ное здание Н. П. Селиванова)
Рис. 5.64. Комплекс промышленных энерго-
активных зданий с системой перераспределе-
ния избыточной собранной солнечной энергии
со вспомогательного здания в производствен-
ный блок для использования в технологиче-
ском процессе
Рис. 5.65. Аграрно-индустриальный энерго-
активный комплекс (коллектив авторов —
Е. С. Абдрахманов, А. А. Баланюк В. В. Заха-
ров, руководитель Н. П. Селиванов)
Рис. 5.66. Приемы композиционного решения
промышленных энергоактивных зданий. Еди-
ная энергоактивная архитектурно-конструк-
тивная система комплекса зданий (гелио-
комплекс Н. П. Селиванова)
Рис. 5.67. Определение взаимовлияния эле-
ментов природно-технической системы (точ-
ками обозначен природный, штриховыми ли-
ниями — антропогенный ландшафт)
227
комбинированное применение традиционных гелиотехнических конструкций
типа «горячий ящик» с усовершенствованной номенклатурой энергоактивных
конструкций нового поколения;
создание специальной энергоактивной архитектурно-конструктивной систе-
мы для различных типов зданий.
Для энергоактивных зданий массового строительства наиболее приемлемы
архитектурно-планировочные решения блочной структуры из энергоактивных
функциональных ячеек или энергоактивных блоков-зданий, так как эти элемен-
ты создают лучшие условия для стандартизации энергоактивных изделий и
уменьшения их количества. Характер первоочередных приобретают задачи
создания Единого каталога энергоактивных изделий, унификации объемно-
планировочных параметров энергоактивных зданий, изучения функциональных
требований к различным типам энергоактивных зданий (рис. 5.62, 5.63).
В архитектурной практике принято, что образ сооружения определяется
формой, при этом упрощенно рассматривается система «конструкция—форма».
Но образ промышленного здания прежде всего связан с назначением сооруже-
ния, с технологическими процессами, которые в нем происходят, иначе говоря,
с функцией сооружения. Для каждого типа сооружения характерен свой образ.
При этом конструкция не является основным компонентом в процессе создания
формы сооружения массового строительства. Внедрение новых энергоактивных
архитектурно-конструктивных систем, переход к строительству энергоактивных
зданий качественно влияют на организацию структуры, форму и внешний облик
зданий (рис. 5.64), позволяют расширить поиски образа энергоактивного соору-
жения. При архитектурном формировании энергоактивных промышленных зда-
ний, производственных и вспомогательных, отличающихся этажностью и объем-
но-планировочным решением, формула «конструкция — форма» недостаточна
для оптимального художественного решения промышленного здания. Необходи-
мо использовать формулу: «функция (технологический процесс) — энергоак-
тивная конструкция — форма — современный образ» с учетом региональных
условий и народных приемов строительства.
Рассмотрим цепь взаимоотношений отдельных категорий архитектуры, свя-
занных с художественной выразительностью энергоактивных промышленных
зданий [7].
Функциональное назначение энергоактивного промышленного здания об-
условливает взаимосвязь «функция — энергоактивные конструкции»
(Фн->-ЭК). Помимо функции промышленного здания на энергоактивные конст-
рукции оказывают большое влияние местные условия и народные приемы строи-
тельства: устройство навесов, козырьков, элементов солнцезащиты, крутых
крыш в горных районах с большими осадками, применение местных строитель-
ных материалов, гелиоэнергоресурсы зданий, возобновляемые источники энер-
гии. Возникает взаимосвязь «условия строительства — энергоактивные конст-
рукции» (УС->-ЭК). Принятая энергоактивная конструктивная система являет-
ся одним из основных определяющих факторов пространственной формы энерго-
активного промышленного здания, что характеризуется взаимосвязью «энерго-
активная конструкция — энергоактивная форма» (ЭК->-ЭФр). Функциональ-
ная структура энергоактивного промышленного здания и местные условия
строительства помимо влияния на конструкции оказывают воздействие непо-
средственно на пространственную форму сооружения. Возникают взаимосвязи
«функция — энергоактивная форма» (Фн->-ЭФр) и «условия строительства —
энергоактивная форма» (УС->-ЭФр). На организацию пространственной формы
энергоактивного промышленного здания воздействуют средства гармонизации,
основанные на особенностях психофизиологии восприятия формы и способст-
вующие выразительности, — симметрия и асимметрия, ритм, соразмерность
пропорций, статичность и динамика композиции, масштаб, цвет. Появляется
взаимосвязь «средства гармонизации — энергоактивная форма» (СГ—>-ЭФр).
228
Полученная архитектурная форма энергоактивного промышленного здания
является источником и носителем образа здания. Отсюда возникает прямая
последовательность «энергоактивная форма — современный образ»
(ЭФр->СО).
На основе этих простых взаимосвязей отдельных компонентов архитектуры
можно изложить единую формулу процесса становления образа энергоактив-
ного сооружения:
__ Комплексный учет этих компонен-
|]^ ✓** X тов на базе функционально-планиро-
эк ]йэфР )| сг \[ со ) вечного решения здания может опре-
Ц, ус JL——/I - —k J делить качество архитектуры энерго-
V активного промышленного здания,
его эстетические достоинства.
Каковы пути совершенствования архитектурной практики в формировании
образа энергоактивных промышленных зданий?
На развитие современных типов энергоактивных промышленных зданий
должны оказать влияние прогрессивные принципы архитектурной организации,
подразделяющиеся на четыре основные категории в зависимости от области их
применения (общей структуры здания, внутреннего пространства, энергоактив-
ной системы и эстетики):
принципы объемно-планировочной организации — укрупнение блоков, ко-
оперирование производств, блокирование зданий (рис. 5.65);
принципы функциональной организации — зонирование, универсальность,
специализация;
принципы энергоактивных архитектурно-конструктивных решений—про-
грессивность энергоактивных конструкций, трансформативность, инженерно-
техническая оснащенность;
принципы художественной выразительности — гармонизация энергоактив-
ной формы, синтез искусств, использование народных приемов строительства
(рис. 5.66).
При дальнейшей разработке типов энергоактивных зданий использование
принципа открытой типизации может стать одним из ведущих в развитии массо-
вых типов энергоактивных промышленных зданий.
5.10. Комплексный подход к архитектурному проектированию
солнечных энергетических станций
С. А. Ващенко
Солнечная энергия как экологически относительно чистый и возобновляемый
вид энергии перспективна для использования ее в крупных масштабах [8—11].
Сооружения, с помощью которых осуществляют промышленный сбор и преобра-
зование солнечной энергии в другие ее виды (тепловую, электрическую, хими-
ческую и др.), принято называть солнечными энергетическими станциями
(СЭС). Ввиду большой рассеянности потока солнечной радиации возникает
необходимость освоения больших площадей ландшафта для его утилизации.
Солнечные энергетические станции могут занимать десятки и даже сотни квад-
ратных километров. Нельзя допустить отчуждения таких территорий только под
технические нужды. Это может привести к нарушению гомеостаза сложившихся
ландшафтных образований и деградации природных экосистем — первичных
ячеек биосферы.
От традиционных промышленных объектов СЭС выгодно отличаются тем,
что несмотря на большие потребности в территории, обладают относительно
малой удельной материалоемкостью и отсутствием производственно-техноло-
229
Таблица 5.1.
ЭНДОГЕННЫЙ ТИП ВОЗДЕЙСТВИЯ (среда—> СЭС). Характеристика
наиболее важных ПРИРОДНЫХ условий
и их влияние иа выбор технических решений
Группа природных
факторов
Содержание природных условий
Влияние природных условий иа выбор
технических решений
I. Энерго- 1. Географическая широта местности Основной эиергоресурсный показатель
ресурсные условия 2. Гелиоклимат — определяется сум- марным поступлением солнечной ра- диации и влиянием на этот фактор об- лачности атмосферы и других метео- рологических условий 3. Геометрические характеристики ландшафта — включают благоприят- ные для размещения СЭС естествен- ные складки рельефа (южные склоны, сферические котловины и т. п.) эффективности облучения и продолжи- тельности работы СЭС. Определяет выбор типа и компоновочную схему СЭС. Влияет на энергетическую эф- фективность и стабильность работы СЭС. Экономически выгодно использование естественных складок рельефа, имею- щих максимальную энергооблучен- ность. Геометрия ландшафта учитыва- ется при выборе компоновочной схемы модуля СЭС и группировки модулей
1Г. Инженерно- 1. Геотектонические условия — вклю- При проектировании СЭС в сейсмич-
геологические чают комплексный анализ геологичес- ном районе не допускается их разме-
условия кой структуры глубинных и поверх- ностных пород, выявление однородно- сти грунтов и зон возможных разломов с целью предупреждения последствий сейсмической активности 2. Геоморфологические условия—пре- дусматривают изучение в динамике хи- мических и физических свойств грун- тов, таких, как долговечность, структу- ра, подвижность, выветриваемость (осыпи, перемещающиеся барханы и т. п.) 3. Гидрогеологические условия — оп- ределяют характер взаимодействия грунтов с глубинными и поверхностны- ми водами; предусматривают изучение глубины, химического состава и агрес- сивности грунтовых вод, глубины про- мерзания грунтов, характера движе- ния поверхностных вод (паводки, про- грессирующее оврагообразование, заболачивание, засоление, вспучива- ние, оползневая и селевая опасность) щение в зонах тектонических разломов и неоднородных грунтов С помощью механических и биологиче- ских методов производят закрепление грунтов; для сооружений СЭС устраи- вают соответствующие фундаменты После необходимых инженерно-геоло- гических изысканий проводится ре- культивация и закрепление выбранных для строительства грунтов, при необ- ходимости устраиваются специальные фундаменты и дополнительные средст- ва защиты от агрессивных грунтовых и поверхностных вод.
III. Метеорологи- 1. Гидрометеорологическая обстанов- Предъявляются дополнительные тре-
ческие условия ка — предусматривает учет ливневой, градовой и грозовой опасности, хими- ческого состава выпадающей влаги, туманов, рос, снежного покрова, низ- ких и высоких температур и т. п. бования к антикоррозионной устойчи- вости конструктивных и отражающих материалов, учету коэффициентов рас- ширения; необходим расчет работы технологических схем при низких тем- пературах
2. Ветровой климат — определяется Предъявляются дополнительные тре-
скоростью ветра, ураганной и смерче- бования к прочности, устойчивости
вой опасностью, физическим и химиче- и аэродинамике сооружений, к воз-
ским составом ветра (песок, пыль, засо- можности самостоятельного освобож-
денная влага, снег, органические ча- дения жизненно важных элементов
стицы) СЭС от продуктов ветровой эррозии
230
Продолжение табл. 5.1.
Группа природных факторов Содержание природных условий Влияние природных условий на выбор технических решений
IV. Биологические условия 1. Сохранение гомеостаза ландшаф- та — обусловливает способность ланд- шафта в основных чертах сохранять свою структуру и характер связи меж- ду элементами, несмотря на внешние воздействия. 2. Взаимодействие представителей фауны и флоры с объектами СЭС — в процессе эксплуатации СЭС не ис- ключается нахождение животных на территории, попадание птиц в фокаль- ную плоскость, засорение рабочих зер- кал органическими материалами и т. п Выбор конструктивной схемы СЭС, позволяющей сбалансированно рас- пределить энергию Солнца между тех- ническими и природными компонента- ми. Консервация либо рекультивация почвенного слоя в процессе строитель- ства и эксплуатации СЭС. Объекты СЭС по возможности не должны ме- шать продуктивному использованию ландшафта При проектировании СЭС необходим учет возможности повреждения эле- ментов СЭС представителями фауны и флоры. Размещение СЭС не должно препятствовать путям миграции и вы- паса животных
Таблица 5.2. ЭНДОГЕННЫЙ ТИП ВОЗДЕЙСТВИЯ (среда —> СЭС). Характеристика наиболее важных АНТРОПОГЕННЫХ условий и их влияние на выбор технических решений
Группа антропогенных факторов Содержание антропогенных условий Влияние антропогенных условий на выбор технических решений
I. Экономические условия Производится общая оценка адекват- ности общественных потребностей эко- номическим ресурсам. На основе оцен- ки ресурсного потенциала территории (наличие материально-сырьевых ре- сурсов, строительной базы, энергообес- печенности, путей сообщения и других материальных фондов производства) задается уровень ее хозяйственного ос- воения. Исходя из народнохозяйст- венных потребностей в энергетических ресурсах рекомендуются рациональ- ный объем и дислокация объекта. Нор- мируются строительные и эксплуата- ционные затраты, себестоимость про- дукции Предусматривается выбор наиболее рациональных конструктивных и техно- логических схем, применение методов типизации, унификации, полифункцио- нальности, кооперирования. Эффек- тивность использования территории зависит от полноты сбора и преобразо- вания солнечной энергии, приходящей на единицу площади, а также от поли- функционального использования тер- ритории СЭС (размещение элементов СЭС на зданиях, использование тер- ритории для отдыха, земледелия, вы- паса животных ит. п.)
II. Технические условия Технологические требования монтажа и обслуживания СЭС. Соответствие потребностей технологического цикла ресурсным условиям среды (нахожде- ние вблизи водных источников). Влия- ние на СЭС близкорасположенных тех- нологических объектов (дымовые тру- бы, пыльные производства, транспорт- ные коммуникации и др.) Желательно размещение СЭС в зонах, свободных от воздействия на них вред- ных продуктов технологических про- цессов. В противном случае необходи- мо предусмотреть дополнительные меры по защите и техническому обслу- живанию конструкций
III. Социальные условия Соотнесение функций социальной и эс- тетической значимости территории (ре- ликтовые ландшафты, зоны отдыха и т. д.) с функционально-утилитарной полезностью ее производственного ос- воения. Учет демографического соста- ва и характера трудовой деятельности местного населения Решение вопросов гармоничного впи- сывания объектов СЭС в среду архи- тектурными средствами
231
гических перемещений, что дает им возможность включить в свою структуру
компоненты природного ландшафта. В этих условиях задачи взаимодействия
объектов СЭС с ландшафтным окружением становятся в ряд важнейших.
Проектировщик крупных СЭС имеет дело не с отдельным строительным
объектом, а со сложным комплексом природно-технических взаимодействий,
составляющих экологическую систему. Его задачей становится создание целост-
ной, устойчивой во времени, термодинамически открытой саморегулирующейся
экосистемы, способной в условиях техногенной нагрузки продуктивно эволю-
ционировать. С этой целью проектировщику необходимо иметь как можно более
полное представление о закономерностях функционирования природных эко-
систем под влиянием антропогенных воздействий. Методами изучения и контро-
ля состояния окружающей среды являются различные уровни экологического
мониторинга, наиболее эффективные на стадии крупномасштабного строитель-
ного эксперимента [12].
В отличие от традиционных методов проектирования проектировщик, исполь-
зующий системные данные, имеет возможность (хотя и в некотором приближе-
нии) проиграть сценарий функционирования природно-технического комплекса,
выбрать оптимальные архитектурно-конструктивные решения, позволяющие
без ущерба для промышленной технологии сохранить способность природных
экосистем к саморегуляции и возобновлению биоты. Характер взаимодействия
и взаимовлияния элементов системы удобно проследить на модели. С целью со-
здания такой модели, которую принято называть логико-концептуальной, необ-
ходимо на основе выявленных наиболее значительных факторов взаимодействия
объекта проектирования с окружающей средой определить целесообразные
географические и временные границы исследуемой экосистемы. Однако важно
иметь в виду, что замкнутой, ограниченной какими-либо рамками системы в при-
роде не существует. В границах системного подхода взаимоувязке подлежат
только самые характерные, самые насущные переменные, находящиеся в услов-
но ограниченной зоне влияния строительного объекта [13].
Для систематизации взаимодействий СЭС с окружающей средой удобно
(в рамках исследуемой экосистемы) провести градацию ландшафтных образо-
ваний на природные и антропогенные, определить характер их взаимодействия
между собой и с объектом проектирования (рис. 5.67).
За основную переменную целесообразно взять сам строительный объект, т. е.
его архитектурно-конструктивную и технологическую схему как наиболее вариа-
бельную часть, способную исходя из условий сохранения гомеостаза экосистемы
принимать любые необходимые формы. Рассматривая комплекс взаимодействий
основной переменной (объекта проектирования) со средой (суммой природных
и антропогенных факторов) целесообразно определить два типа влияния: воз-
действие среды на СЭС (эндогенное) и воздействие СЭС на среду (экзогенное).
Первый тип взаимодействий предусматривает способность конструктивной
схемы СЭС нормально функционировать в условиях воздействия на нее средо-
вых факторов (исходная ситуация). Второй тип взаимодействий определяет
характер влияния самой СЭС на среду (сложившаяся ситуация) и изучается
комплексом биосоциальных наук.
Архитектурно-конструктивная схема должна строиться из учета сбалансиро-
ванного равновесия эндогенных и экзогенных (относительно СЭС) условий
внешней среды (рис. 5.68). Связующим звеном в процессе проектирования, спо-
собным преобразовать сумму биосоциальных и технических знаний в проектное
предложение, должна стать архитектурная наука.
Анализ подобной модели производится выборкой наиболее характерных
параметров среды и их оценкой способом предпочтений (табл. 5.1—5.3). Приме-
нение какой-либо количественной шкалы не представляется возможным, так как
практически невозможно количественное сопоставление всех данных, не сущест-
вует соответствующих единиц измерения [14].
232
Основными этапами комплексного под- Таблица 5.3.-
хода к проектированию крупных солнеч-
ных энергетических станций могут
стать:
а) определение экономических показа-
телей и места строительства СЭС;
б) географическое выделение проекти-
руемой природно-технической системы
как самостоятельной единицы изучаемого
ландшафта;
в) выбор схемы СЭС и наиболее су-
щественных переменных, подлежащих изу-
чению;
г) установление внутренних взаимосвя-
зей между компонентами природно-техни-
ческой системы и связей с другими экоси-
стемами;
д) определение экологического порога
производственного освоения и временного
адаптационного промежутка, в течение ко-
торого экосистема достигнет уровня само-
регуляции и прогрессивного эволюциони-
рования;
е) изучение сценария социального
функционирования природно-технического
комплекса;
ж) проектное предложение.
ЭКЗОГЕННЫЙ ТИП ВОЗДЕЙСТВИЯ
(СЭС —> среда). Характеристика дисциплин,
посредством которых производится изучение
Дисциплины Область изучаемых явлений
I, Биогео- Средствами экологического мо- ценологияниторинга изучение внутренних и внешних взаимосвязей природ- ных экосистем, нх функциониро- вания и эволюции. Оценка эко- логической устойчивости и био- продуктивности природно-техни- ческого комплекса II. Антропо- Изучение социально-функцио- экология нальных сценариев развития об- щества, природы и техники
III. Эконо- Рассмотрение вклада энергети-
мика ческого объекта в структуру
единого народнохозяйственного
планирования. Постановка за-
дач продуктивного использова-
ния ресурсного потенциала тер-
ритории
Для более полного осознания механизмов массоэнергообмена в экосистеме
необходимы качественно новые методы определения причинно-следственных
связей, которые приведут к созданию принципиально новых моделей, описы-
вающих совокупность взаимоотношений природы, техники и человека.
Невозможно с уверенностью предугадать или запрограммировать эволюцию
природных экосистем, поэтому одной из основных задач при проектировании
крупных СЭС должно стать возможно более полное сохранение многолетнего
ядра биоты, благодаря которому сохраняется устойчивость природного комплек-
са к внешним воздействиям, максимально гуманное отношение к ландшафту —
не отчуждение его, а активное вовлечение создаваемой биотехсистемы в структу-
ру функционирующих экосистем. Технически разрешима задача размещения
рабочего зеркала гелиостатов и коммуникаций управления на расстоянии от
поверхности земли, достаточном для свободного ее использования представите-
лями фауны и флоры или включения территории СЭС в сельскохозяйственный
оборот (рис. 5.69).
Как будет развиваться биота в услових затенения гелиостатами, покажут
эксперименты, однако уже сейчас ясно, что в южных районах СССР, где расти-
тельный покров страдает от избытка солнечной радиации, частичное его затене-
ние будет только полезным. Основной задачей проектировщиков СЭС, по-види-
мому, скоро станут поиски технических решений, способных осуществить гармо-
ничный симбиоз технических и природных компонентов ландшафта.
В настоящее время об энергетической эффективности СЭС судят в основном
по конечному выходу электроэнергии — наиболее универсальному энергетиче-
скому продукту. Однако анализ опыта строительства и эксплуатации техноло-
гических схем СЭС показывает, что для повышения их экономической эффектив-
ности, снижения стоимости единицы производимой энергии целесообразно
использовать в качестве конечных продуктов другие энергоносители (пере-
гретый пар, низкопотенциальное тепло, продукты фотолиза и биоконверсии,
233
Рис. 5.68. Модель формирования архитектур-
но-конструктивной схемы СЭС в структуре эко-
системы
Рис. 5.69. Вариант решения поля гелиостатов
с возможностью продуктивного использова-
ния ландшафта
234
концентрированную солнечную радиацию и др.). Такой подход приведет к созда-
нию более сложных комбинированных станций, использующих в качестве энер-
гетического сырья различные виды возобновляемых и традиционных энергоре-
сурсов и, как следствие, повлечет за собой необходимость согласованной работы
комплекса СЭС с потребителем энергии, который смог бы учесть в своем техно-
логическом процессе разнохарактерную энергетическую продукцию, связанную
с особенностями солнечной технологии (неравномерность суточного и сезонно-
го прихода, зависимость от погодных условий и т. д.). Наиболее продуктивно
возобновляемые источники энергии могут быть использованы в аграрно-индуст-
риальной отрасли, которая переводится на промышленную основу путем созда-
ния крупных животноводческих и растениеводческих комплексов [15].
Введение в структуру аграрно-индустриального комплекса энергетического
модуля открывает большие возможности для перестройки этой отрасли на про-
грессивный путь применения интенсивной технологии. Энергетический модуль
может снабжать предприятия аграрно-промышленного производства помимо
электрической энергии низкопотенциальным теплом, с трудом поддающимся
утилизации техническими методами, подогретой водой для полива и нужд жи-
вотноводства, горячим воздухом для сушки сельхозпродукции, обогрева теплиц
и животноводческих помещений, перегретым паром для плодоконсервной про-
мышленности, хладагентом для хранения сельскохозяйственной продукции,
концентрированным импульсным излучением для стимуляции роста растений,
жидким и газообразным органическим и химическим топливом (биогазом, эта-
нолом, метанолом, водородом) для работы сельскохозяйственной техники,
коммунально-бытовых нужд и т. д. В свою очередь отходы сельского хозяйства
(компост, растительная биомасса, фекальные стоки жилищного сектора) могут
служить сырьем для получения энергетической продукции.
Полифункциональное использование строительных конструкций для про-
изводства различных видов энергии и продуктов сельского хозяйства позволит
более экономно и рационально использовать основные фонды строительства,
осваивать неудобные для сельскохозяйственной обработки крутые склоны и т. д.
Таким образом, мы вплотную подходим к созданию качественно новой типоло-
гической единицы — аграрно-энергетическому комплексу, который представ-
ляет собой совокупность взаимосвязанных зданий и сооружений основного
и вспомогательного назначения, необходимых для производства энергетической
и сельскохозяйственной продукции, расположенных на одном участке и объеди-
ненных единым технологическим процессом, объемно-планировочными решения-
ми и инженерными коммуникациями. Подобный комплекс следует рассматри-
вать как биотехническую систему, объединенную по параметру «энергия». В этой
системе ведущую роль играют биологические процессы, диктующие характер
перераспределения возобновляемых энергоресурсов между биологическими
и техническими компонентами системы.
Создание аграрно-энергетических комплексов открывает путь для развития
в сельском хозяйстве малоотходных и безотходных технологий, что приведет
в конечном итоге к созданию высокоинтегрированных комплексов с замкнутой
технологией, способных обеспечить сельскохозяйственным ячейкам энергети-
чески независимое автотрофное существование и при минимальной нагрузке на
окружающую среду получать устойчивые урожаи. Одно из вариантных решений
такого комплекса показано на рис. 5.70. Он представляет собой совокупность
пяти энергетических систем:
а) солнечной энергетической станции (СЭС) башенного типа с паротурбин-
ным циклом преобразования энергии, которая состоит из поля гелиостатов I —
системы следящих зеркал, концентрирующих солнечное излучение на солнеч-
ном парогенераторе 5, расположенном на башне, откуда перегретый пар по-
ступает на турбину 3 с электрогенератором 2. Строительные конструкции поля
гелиостатов совмещены с конструкциями животноводческих помещений 7;
235
100,00
Рис. 5.70. Решение аграрно-энергетического комплекса, в котором используются различные виОы
возобновляемых энергетических ресурсов
а — общий вид; б — разрез; А—Н — виды продукции, производимой аграрно-энергетическим комп-
лексом; Л — электроэнергия; В — насыщенный пар; С—низкопотенциальная теплота (воздух,
вода); D—концентрированная солнечная радиация; Е — биогаз; F — органические одобрения;
G продукция животноводства; Н — продукция растениеводства
236
б) солнечно-ветровой энергетической станции (СВЭС), состоящей из коллек-
тора солнечного излучения, которым является тепличное хозяйство, располо-
женное под прозрачной пленкой 10, где воздух нагревается и устремляется
к основанию вытяжной башни, в которой размещен электрогенератор с лопаст-
ным движителем 8. При необходимости подогретый и обогащенный кислородом
воздух из теплиц может быть направлен в животноводческие помещения 7;
в) ветровой энергетической станции (ВЭС) роторного типа, размещенной
в верхней части башни 6;
г) тепловой энергетической станции (ТЭС), состоящей из системы паровых
котлов 4, использующих органическое топливо (биогаз, древесные и раститель-
ные отходы) и паровой турбины 3 с электрогенератором 2\
д) энергетической установки для биологической конверсии органических ве-
ществ в жидкое топливо и метан, состоящей из метантенков 9, в которых путем
анаэробного сбраживания отходов животноводства, растениеводства и жилищ-
ного сектора получают биогаз. Метантенки расположены в основании башни и
нуждаются в низкопотенциальном подогреве, который осуществляется теплым
воздухом от СВЭС и котлотурбинных агрегатов. Органические отходы, прошед-
шие цикл анаэробного сбраживания, обеззараживаются и превращаются в цен-
ное легкоусвояемое растениями удобрение.
Основой другого варианта аграрно-энергетического комплекса (рис. 5.71)
является СЭС башенного типа с кольцевым решением поля гелиостатов 1, кон-
структивно совмещенных с животноводческими помещениями 8. Гелиостаты фо-
кусируют солнечное излучение на приемных панелях солнечного парогенерато-
ра 2, откуда перегретый теплоноситель поступает на турбину 10 с электрогенера-
тором 9 и в систему теплового аккумулирования 13. Неизбежные конвективные
потери емкостей-аккумуляторов обогревают бассейн 12 для выращивания
микрофлоры, употребляемой для скармливания животным. Питательной сре-
дой для микрофлоры может служить жидкий органический субстрат — отходы
метаногенеза. Дополнительное каталитическое действие концентрированного
солнечного излучения достигается при помощи гелиостатов СЭС и промежуточ-
ного концентратора 6. Известна технология получения водорода с помощью
каталитического фотосинтеза микроводорослей.
В теле несущей башни солнечного парогенератора удобно разместить уста-
новки 3 для промышленного получения водорода и кислорода путем фотолиза
воды, которые также нуждаются в каталитическом действии концентрированно-
го солнечного излучения. При необходимости концентрированная радиация
посредством промежуточного экрана может быть направлена в паровой котел
II для обогащения органического топлива, теплоту сгорания которого можно
повысить на 30—40%. Паровой котел выполняет дублирующую роль и служит
для обеспечения бесперебойной работы энергетической системы комплекса в
перерывы прихода солнечной радиации.
Низкопотенциальное тепло от работы котлотурбинных агрегатов направля-
ется для обогрева метантенков 4, в которых путем анаэробного сбраживания от-
ходы животноводства и растениеводства превращаются в биогаз и органическое
удобрение. Для получения электрической энергии фотоэлектрическим методом
предусмотрено использование концентраторов типа фоклинов 7, расположенных
на скатной кровле здания. Дополнительным источником электрической (тепло-
вой) энергии могут быть фотоэлектрические преобразователи (тепловые коллек-
торы, абсорберы), размещенные на южной стороне башни 5.
Система аккумулирования энергетического комплекса позволяет запасать
энергию на продолжительное время с использованием ее в периоды, неблагопри-
ятные для прихода солнечной радиации.
Очевидно, что в связи с большой рассеянностью возобновляемых энергоре-
сурсов в среде их комплексная утилизация имеет большие преимущества перед
выборочной. Нецелесообразно использовать только тепловую составляющую
237
прямого солнечного излучения (например СЭС башенного типа). Концентриро-
ванная солнечная радиация может оказаться более полезной при использовании
ее каталитических свойств в биологических или химических процессах (катали-
тический фотосинтез, светоимпульсное облучение биологических объектов, фо-
толиз воды и т. д.). Необходимо как можно более полно использовать всю энер-
гию, находящуюся в среде в виде рассеянного светового и теплового излучения,
движения воздушных масс, суточных температурно-влажностных циклов и т. д.
Концентрация в одном строительном комплексе различных видов биологических
и технических процессов, объединенных экологически чистыми возобновляемы-
ми источниками энергии, позволит найти и отработать новые формы обмена ве-
ществом и энергией между биологическими и техническими компонентами систе-
мы, наиболее приближенные к естественным биосферным процессам.
Академик АМН В. П. Казначеев, определяя роль человека в эволюции био-
сферы, писал: «...сегодняшние кризисные проблемы — экологическая и энерге-
тическая, проблема питания и жизненного пространства — должны решаться
в неразрывном единстве, в том единстве, в котором существует биосфера...
в настоящее время человечество располагает значительным энергетическим по-
тенциалом, и энергетический кризис обусловлен не величиной входа (количест-
ва энергии), а недостаточным развитием технологии. В значительной степени это
обусловлено тем, что основной источник жизни — продукты питания — чело-
вечество вынуждено извлекать из биосферы, превращая ее на больших прост-
ранствах в гигантские «биосферные фабрики» продуктов и оставаясь зависимым
от множества неуправляемых природных процессов» [10].
В связи с дальнейшим удорожанием цен на традиционные первичные топлив-
но-энергетические ресурсы по мере их истощения и развитием прогрессивных
технологий использования нетрадиционных и возобновляемых источников энер-
гии создание аграрно-энергетических комплексов может стать одним из наи-
более перспективных направлений развития крупномасштабной энергети-
ки села.
5.11. Экономия энергии в зданиях,
перекрытых пространственными конструкциями
О. А. Курбатов, И. И. Масленников
В настоящее время в СССР и за рубежом большое внимание уделяется эко-
номии энергетических ресурсов, вопросам охраны окружающей среды, что
естественным образом приводит к использованию солнечной энергии для комму-
нальных нужд. В постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об уси-
лении работы по экономии и рациональному- использованию сырьевых, топлив-
но-энергетических и других материальных ресурсов» (1981) борьба за экономию
топлива определена как важнейшая хозяйственная и политическая задача.
В нашей стране на отопление зданий расходуется 20% общих затрат топлив-
но-энергетических ресурсов, что составляет 238 млн. т условного топлива в год.
Естественно, что снижение, даже на несколько процентов, расхода топлива за
счет использования солнечной радиации в масштабах страны даст огромную
экономию.
Анализ результатов проведенных исследований показывает, что экономия
энергии в капитальном строительстве может быть достигнута тремя основными
способами:
сокращением энергетических расходов на производство строительных кон-
струкций и материалов;
снижением энергозатрат на возведение здания или сооружения;
сведением к минимуму расхода энергии во время эксплуатации зданий и со-
238
1S0.U
Рис. 5.71. Вариант решения аграрно-энергетического комплекса,
в котором используются различные виды возобновляемых энерге-
тических ресурсов (разргз)
Рис. 5.72. Конструкция двухслойного мембранного покрытия, используемая как
воздушный гелиоколлектор
а — общий вид мембранного покрытия, оборудованного для сбора солнечной
энергии; б — поперечный разрез здания; в — режим работы гелиосистемы;
А — опорное кольцо, совмещенное с воздуховодом; Б — центральное кольцо,
совмещенное с воздуховодом; I - вытяжка через воздушную прослойку покры-
тия; //— подогрев приточного воздуха; /// — подогрев воздуха, используемого
в абсорбционной холодильной машине; 1 — мембрана, совмещенная с гелио-
коллектором; 2 — воздушные заслонки; 3 — внешняя мембрана (абсорбирую-
щий слой, стальной лист, фольга); 4 — воздушная прослойка; 5 — внутренняя
мембрана (пароизоляция, утеплитель, пароизоляция, стальной лист)
239
Рис. 5.73. Конструкция пологого армоцементного свода, используемого как жидкостный гелиокол-
лектор
а - общий вид пологого армоцементного волнистого свода, оборудованного для сбора солнечной
энергии; б — режим работы жидкостной гелиосистемы; в — поперечный разрез покрытия здания;
1 подогрев воды; II — обезвоживание раствора хлористого лития; 1 — трубопровод, подающий
холодную воду; 2 — волнистый армоцементный свод; 3 — сборники подогретой воды; 4 - подача
холодного теплоносителя; 5 — синтетическая армированная пленка (гидроизоляция и чернение эле-
ментов волнистого армоцементного свода; теплоизоляция, пароизоляция); 6—опорная балка;
7 — сборник подогретого теплоносителя
оружений. Здесь имеются в виду затраты как на отопление, так и на искусствен-
ное освещение, вентиляцию, кондиционирование и т. п.
Использование конструктивных решений зданий с применением различных
типов пространственных систем обеспечивает относительно высокий энергети-
ческий коэффициент полезного действия. Это объясняется более низким расхо-
дом строительных материалов, легкостью и высокой степенью заводской готов-
ности строительных элементов (что приводит к уменьшению энергозатрат при
изготовлении и монтаже), малой строительной высотой, благодаря чему сущест-
венно уменьшается отапливаемое и вентилируемое пространство, большой ва-
риабельностью устройства световых проемов для организации естественного
освещения.
Вместе с тем геометрическая структура ряда пространственных конструкций
подсказала возможность использования их в качестве интегральных гелиокол-
лекторов, позволяющих реализовать свойства активного сбора солнечной энер-
гии для непосредственной утилизации в системах энергоснабжения зданий. Из
240
Рис. 5.74. Конструкция структурной плиты. Наклонная часть используется как воздушный гелио-
коллектор; в горизонтальную часть интегрированы жидкостные гелиоколлекторы
а — общий вид покрытия из стержневой структуры, оборудованного для сбора солнечной энергии;
б — поперечный разрез здания; в — принципы работы гелиосистем, совмещенных с покрытием;
А —деталь покрытия; I — синтетическая армированная пленка; (стержневая структура, абсорби-
рующий слой, утеплитель, пароизоляция); 2 — собирающий трубопровод; 3 — элементы стержневой
структуры; 4 — плоский жидкостный гелиоколлектор; 5 — подающий трубопровод; 6 — рефлекти-
рующий слой; 7 — собирающий воздуховод; 8 — рефлектор; 9 — сбор подогретой воды; 10 — све-
товой фонарь; И — подача холодной воды в плоские гелиоколлекторы; 12 — утеплитель; 13 — воз-
душный гелиоколлектор, совмещенный с наклонной частью покрытия; 14 — подающий воздуховод
большого числа типов пространственных конструкций наибольший интерес
в этом плане представляют те из них, которые могут образовывать сообщающие-
ся с коллекторами замкнутые полости, где может циркулировать тот или иной
теплоноситель — волнистые своды, складки, стержневые и пластинчато-стерж-
невые конструкции, дублированные мембраны и др. Анализ геометрии простран-
ственных конструкций позволил определить годовой и суточный режим их облу-
чения солнцем.
Каждому типу здания соответствует определенный режим функционирова-
ния, а следовательно, и энергетический режим. Совместный анализ энергети-
ческого режима эксплуатации и режима облучения солнцем дает возможность
оценить целесообразность применения пространственной конструкции того или
иного типа (рис. 5.72—5.75).
Геометрия пространственной конструкции влияет также на тип теплоносите-
ля и характер его циркуляции в гелиосистеме. Так, для сводов с большим перепа-
дом отметок пяты и замка наилучшим теплоносителем является воздух. Для
плоских сводов в качестве теплоносителя используется вода или раствор хлори-
стого лития (работа системы в режиме охлаждения).
Наибольшее внимание при анализе свойств пространственных конструкций
уделяется достижению максимальной экономии энергии в процессе эксплуата-
ции здания. Эксплуатационные расходы энергии идут на горячее водоснабже-
ние, холодоснабжение, отопление и вентиляцию, а также на освещение построй-
241
Рис. 5.75. Закрытая складчатая армоцементная конструкция. используемая как воздушный гелио-
коллектор
а — общий вид закрытой складчатой армоцементиой конструкции, оборудованной для сбора сол-
нечной энергии; б — поперечный разрез покрытия здания; в — режим работы воздушной гелиосис-
темы; А, Б — соответственно верхний и нижний распределительные воздуховоды; I — подогрев
приточного воздуха; II — снижение теплопотерь здания пропуском вытяжного воздуха через по-
крытие; III — подогрев воздуха в покрытии и его использование в абсорбционной холодильной ма-
шине для выработки холода; IV — охлаждение покрытия созданием тяги через воздушную про-
слойку; 1 — армоцементное покрытие; 2 — опорная рама; 3 — армоцементная складка (пароизо-
ляция, плитный утеплитель, пароизоляция); 4 — армоцементная складка закрытого профиля (на-
ружная поверхность зачернена, внутренняя оклеена фольгой)
ки. Рассмотрим различные пространственные конструкции в связи с указанными
направлениями расхода энергии.
1. Экономия энергии на горячее водоснабжение достигается предваритель-
ным нагревом холодной воды в гелиоколлекторах, интегрированных в прост-
ранственной конструкции.
Дальнейшее повышение температуры воды до рабочих параметров может
осуществляться в бойлерах или тепловых насосах. Это позволяет при достаточ-
ной солнечной радиации перейти на автономный режим горячего водоснабже-
ния. Гелиоколлектор в данном случае представляет собой «горячий ящик»,
основой которого служит утепленная пространственная конструкция (пологие
армоцементные своды и складки) либо встроенные в пространственную конст-
рукцию инвентарные гелиоколлекторы (стержневые структуры).
2. Экономия энергии на холодоснабжение. Существуют следующие способы
использования солнечной энергии, собираемой с площади пространственной
конструкции для выработки холода:
а) в абсорбционной системе солнечного охлаждения. В качестве абсорбен-
та используется водный раствор хлористого лития, обезвоживаемый в жидкост-
ном гелиоколлекторе под воздействием солнечной теплоты. Подобная система
охлаждения уже в течение 10 лет эксплуатируется в НПО «Солнце» в Ашхабаде;
242
б) если в систему горячего водоснабжения введен тепловой насос, нетрудно
комбинировать систему так, чтобы она работала в режиме как нагрева, так и
охлаждения;
в) при применении воздушной системы отопления возможно использование
для выработки холода теплового насоса типа «воздух—воздух»;
г) наиболее совершенной является система отопления — охлаждения с теп-
ловым насосом, работающим по циклу Ренкина. Одним из преимуществ этой
системы является то, что двигатель, работающий по циклу Ренкина, при избытке
солнечной энергии наряду с выработкой теплоты и холода может быть совмещен
с генератором для выработки электроэнергии.
3. Экономия теплоты на отопление и вентиляцию. Большинство простран-
ственных конструкций либо представляет собой двойную оболочку, либо легко
оборудуется второй оболочкой. Воздушная прослойка, находящаяся между
оболочками, является конвектором, нагревающим под действием солнечных лу-
чей поступающий в нее воздух. В зависимости от характера отопления конкрет-
ной зоны постройки принимаются следующие режимы работы системы: подогрев
приточного воздуха; вытяжка воздуха из интерьера; равномерный нагрев всей
оболочки здания; концентрация собранной теплоты в конкретной функциональ-
ной зоне.
В большинстве случаев применение пространственных конструкций ведет
к уменьшению отапливаемого объема здания по сравнению с использованием
стоечно-балочной каркасной системы, а следовательно, и к экономии энергии.
Эти конструкции позволяют гибко изменять характеристики внутреннего прост-
ранства постройки в зависимости от протекающих в них функциональных про-
цессов. Сокращается и площадь ограждающих конструкций, что также ведет
к экономии энергии на отопление.
4. Экономия энергии на освещение. Пространственные конструкции — струк-
турные плиты, своды и т. д. — позволяют предусматривать световые проемы
нужного размера, обеспечивающие естественное освещение зданий, что ведет
к экономии электроэнергии, расходуемой на эти цели.
Разработанные типы энергосберегающих пространственных конструкций
ориентированы на применение их в объектах различного общественного назна-
чения — спортивных и торговых залах, плавательных бассейнах, складских по-
мещениях и др., имеющих пролеты от 12 до 100 м. В зависимости от географиче-
ского положения здания, его функционального назначения и принятой конструк-
тивной схемы энергосберегающие пространственные системы обеспечивают
экономию энергозатрат от 30 до 60%.
Список литературы
1. Андерсон Б. Солнечная энергия (основы строительного проектирования). — М.: Стройиздат, 1982.
2. Селиванов Н. П. Энергоактивные солнечные здания (использование солнечной энергии в инженер-
ном обеспечении зданий). — М.:, 1982.
3. Оболенский Н. В. Руководство по проектированию и применению солнцезащитных средств в про-
мышленных зданиях. — М., 1980.
4. Харкнесс Е., Мехта М. Регулирование солнечной радиации в зданиях. — М., 1981.
5. Николаев И. С., Мыслнн В. А., Матвеев Е. С. Архитектурная типология промышленных предприя-
тий. — М.: Стройиздат, 1975.
6. Дроздов В. А. Новое в строительной науке (Некоторые проблемы строительной физики по мате-
риалам Международного совета по строительным исследованиям). — М.: Знание, 1984. (Новое
в жизни, науке, технике. Сер. Стр-во и архитектура. № 8).
7. Ежов В. И. Архитектура общественных зданий массового строительства. — М.: Стройиздат, 1983.
8. Ващеико С. А. Экологические условия размещения солнечных энергетических станций/Материалы
II Всесоюзного совещания по космической антропоэкологии. — Л., 1984.
9. Гречко Г. М., Мелуа А. И., Пешков А. Б., Селиванов Н. П./Земля — наш дом во Вселенной. —
Л.: Стройиздат, 1983.
243
10. Казначеев В. П. Учение о биосфере (Этюды о научном творчестве В. И. Вернадского). — М.:
Знание, 1985.
11. Преобразование солнечной энергии. — М.: Наука, 1985.
12. Теоретические основы и опыт экологического мониторинга. — М.: Наука, 1983.
13 Кини Р. Размещение энергетических объектов: выбор решений/Пер. с англ. — М.: Энергоатом-
издат. 1983.
14. Яргииа 3. Н. Градостроительный анализ. — М.: Стройиздат, 1984.
15. Осмоловский М. С., Старков А. А., Шарудеико Ю. С. Животноводческие комплексы на промыш-
ленной основе. — 2-е изд., перераб., и доп. — М.: Стройиздат, 1984.
6. ОПЫТ РАЗРАБОТКИ И СТРОИТЕЛЬСТВА
ГЕЛИОЭНЕРГОАКТИВНЫХ ОБЪЕКТОВ В СССР
6.1. «Солнечные» дома Института высоких температур
Академии наук СССР.
Экспериментальный научный полигон «Солнце»
С. И. Вайнштейн, О. С. Попель, Н. П. Селиванов
В Институте высоких температур АН СССР ведется систематизированная
разработка вопросов использования солнечной энергии на основе преобразова-
ния ее в низкопотенциальную теплоту для приготовления горячей воды и отопле-
ния зданий. Объектами разработки приняты здания жилищно-гражданского и
сельскохозяйственного назначения. Цель разработки — снижение теплозатрат
и повышение общей энергетической экономичности. Одновременно комплексно
рассматриваются архитектурные, строительные и социальные аспекты проблемы
улучшения жилищных условий, экологические вопросы охраны окружающей
природной среды.
Особый интерес представляет разработка экономичных индивидуальных жи-
лых домов с солнечным теплоснабжением для сельской местности, где традици-
онно используется органическое топливо с низкой тепловой эффективностью.
Разработка и строительство объектов ведутся институтом высоких температур
совместно с проектными и строительными организациями Дагестанской АССР,
Армянской и Грузинской ССР.
В 1981 г. в поселке Мерцаван Армянской ССР построен экспериментальный
жилой дом серии «Е» с автономной системой солнечного теплоснабжения актив-
ного типа (рис. 6.1). Дом предназначен для испытаний и отработки солнечной
установки для отопления и горячего водоснабжения индивидуальных сельских
жилых домов. Дом оборудован солнечной установкой с площадью солнечных
коллекторов 32,4 м2, системами аккумулирования теплоты, контрольно-измери-
тельных приборов и автоматики (КИП и А) для экспериментальных исследова-
ний. Солнечная установка обеспечивает экономию до 3 т у.т/год. За счет солнеч-
ной энергии покрывается 50—55% годовых теплопотребностей дома.
Сметная стоимость дома составляет 35,6 тыс. руб., в том числе стоимость сол-
нечной установки 5,5 тыс. руб. Разработчики: Институт высоких температур
АН СССР, Проектный институт Армгипросельхоз, НИИВВиП Минсельхоза
Армянской ССР.
Другая конструкция солнечного дома (жилая площадь 62,5 м2) с наклон-
ной стеной-коллектором, обращенной на юг, построена в Дагестанской АССР
(Верхний Гуниб) в 1981 г. (рис. 6.2). Это экспериментальный жилой дом серии
«Г» с активной системой солнечного горячего водоснабжения и отопления. Он
предназначен для испытаний и отработки солнечных установок горячего водо-
снабжения и отопления индивидуальных жилых домов в сельских районах и ра-
бочих поселках. Оборудован солнечной установкой с площадью солнечного кол-
244
лектора 56 м2, системами аккумулирования теплоты, автоматизированного сбо-
ра и обработки экспериментальных данных, КИП и А. В солнечном контуре теп-
лоносителем может быть антифриз (например, этиленгликоль).
Солнечная установка позволяет обеспечить экономию до 50% топлива, необ-
ходимого для покрытия тепловых потребностей дома в отоплении и 70% — в го-
рячей воде; получить расчетную годовую экономию — 3 т у. т.; уменьшить за-
грязнение окружающей природной среды.
Сметная стоимость дома составляет 76,4 тыс. руб., в том числе солнечной
установки 8 тыс. руб. Разработчики: Институт высоких температур АН СССР,
Институт Дагестангражданпроект и ЦНИИЭП инженерного оборудования.
В 1983—1986 гг. Институт высоких температур АН СССР ведет строительст-
во научного полигона «Солнце» в Даг. АССР, на базе которого создана научная
станция. Основные задачи использования станции:
проведение комплекса экспериментальных, опытно-конструкторских работ
и соответствующих исследований, связанных с отработкой и созданием систем
солнечного теплоснабжения, горячего водоснабжения и другими применениями
солнечной энергии в народном хозяйстве (теплицы, сушка и т. д.);
разработка и внедрение солнечных установок в Дагестанской АССР и других
районах страны для целей снабжения теплотой и горячей водой строящихся ин-
дивидуальных жилых домов, объектов общественного назначения и сельскохо-
зяйственных комплексов;
разработка и создание высокоэффективных солнечных коллекторов, акку-
муляторов тепловой энергии, средств управления и автоматизации работы сол-
нечных установок с необходимым программным обеспечением.
Разработчики: Институт высоких температур АН СССР, Институт Дагестан-
гражданпроект при Совете Министров Даг. АССР. Генподрядчик: трест Даг-
сельстрой Минсельстроя РСФСР. Площадь участка составляет 10 га; площадь
застройки — 7000 м2; рабочая площадь зданий — 4000 м2. Сметная стоимость
объекта — 2600 тыс. руб. Все объекты полигона оснащены солнечным горячим
водоснабжением, а некоторые объекты и солнечным отоплением.
Физико-географическая и климатическая характеристика полигона. Экспе-
риментальный научный полигон ИВТАН «Солнце» расположен на побережье
Каспийского моря в 20 км севернее Махачкалы. Рельеф участка сложный, с об-
щим уклоном в сторону моря, покрыт барханными песками.
Климатические условия во многом определяются близостью Каспийского мо-
ря, с одной стороны, и оврагами Кавказских гор — с другой. Узкая равнина
между морем и горами служит своеобразным коридором, по которому холодные
воздушные массы с севера проникают на юг и теплые с юга на север. Зимой пре-
обладают северо-западные, западные и юго-восточные ветра. Ветры обычно
имеют среднюю скорость 2—6 м/с. Нередко скорость ветра достигает более
15 м/с, отмечаются и до 50 м/с. Направление ветра часто меняется в течение го-
да. Скоростной напор ветра достигает 70,7 кг/м2.
Среднегодовая температура воздуха составляет +11,6° С. Абсолютная мак-
симальная температура наблюдается в июле ( + 35° С),а минимальная (—25° С)
в январе. Зима короткая со средней температурой +0,5°С. Солнечных дней
около 280 в год. Относительная влажность воздуха в среднем составляет 77%,
при максимуме зимой 84% и минимуме летом 66%. Максимальное суточное ко-
личество осадков 104 мм.
Полигон имеет меридиональную ориентацию и размещен параллельно берегу
моря в 100—120 м от уреза воды. В состав комплекса полигона входят: лабора-
торные корпуса серии «А» (рис. 6.3) и «В» (рис. 6.4) с активными системами сол-
нечного горячего водоснабжения; общественное здание серии «С» с солнечной
установкой горячего водоснабжения (рис. 6.5); душевой павильон с солнечным
бассейном; гараж с солнечной водонагревательной установкой, электрокотель-
ная, хозяйственные постройки; дом серии «И1» с активной системой солнечного
245
Рис. 6.1. Жилой дом серии «Е» с автономной
системой солнечного теплоснабжения в по-
селке Мерцаван Армянской ССР
Рис. 6.2. Жилой дом серии «Г» с наклонной
стеной — коллектором солнечной энергии в по-
селке Верхний Гуниб Дагестанской АССР
Рис. 6.3. Главный лабораторный корпус серии «Л» с активной системой солнечного горячего водо-
снабжения (полигон «Солнце»)
Рис. 6.5. Общественное здание серии «С»
с солнечной установкой горячего водоснабже-
ния (полигон «Солнце»)
Рис. 6.4. Лабораторный корпус серии «В»
с активной системой солнечного горячего водо-
снабжения (полигон «Солнце»)
246
горячего водоснабжения и отопления; экспериментальный одноквартирный жи-
лой дом серии «М» с системой солнечного горячего водоснабжения и отопления
(рис. 6.6); экспериментальный одноквартирный жилой дом серии «М1» с актив-
ной системой солнечного горячего водоснабжения и отопления; эксперименталь-
ный двухквартирный жилой дом серии «И» с активной системой солнечного го-
рячего водоснабжения (рис. 6.7); экспериментальный одноквартирный жилой
дом серии «П» с пассивной системой солнечого отопления и солнечной установ-
кой горячего водоснабжения (рис. 6.8); экспериментальный теплогидравличе-
ский стенд; экспериментальный одноквартирный жилой дом серии «3» с актив-
ной системой солнечного горячего водоснабжения и отопления.
Практически впервые на полигоне была принята попытка увязать солнечную
архитектуру лабораторных корпусов с национальными мотивами при широком
варьировании пространственных решений и архитектурного облика зданий (см.
рис. 6.3, 6.4, 6.5).
Творческий подход к разработке архитектурного облика экспериментальных
объектов не вступает в противоречие с основным назначением проверки различ-
ных гелиосистем. Так, гелиоприемные панели коллектора главного лабораторно-
го корпуса серии «Л» (см. рис. 6.3) органически входят в число средств, опреде-
ляющих архитектурную индивидуальность объекта.
Лабораторный корпус предназначен для испытаний и отработки солнечной
установки горячего водоснабжения объектов жилищно-бытового назначения
(гостиницы, кемпинги, санатории, дома отдыха). Корпус оборудован солнечной
установкой с площадью коллекторов 400 м2, системами аккумулирования тепло-
ты, КИП и А, автоматизированного сбора и обработки экспериментальных
данных.
Солнечная установка позволяет: обеспечить экономию в мае—августе до
100% топлива, необходимого для покрытия тепловых потребностей в горячей
воде; получить расчетную годовую экономию 25 т у. т.
Сметная стоимость лабораторного корпуса составляет 511,28 тыс. руб., в том
числе солнечной установки 50 тыс. руб. Рабочая площадь корпуса 1399,78 м2;
полезная площадь 2399,8 м2. Разработчик: Институт высоких температур АН
СССР, Институт Дагестангражданпроект.
Дом серии «М» эксплуатируется с 1983 г. Он предназначен для испытаний
и отработки солнечной установки горячего водоснабжения и отопления индиви-
дуальных сельских жилых домов. Оборудован солнечной установкой с пло-
щадью солнечных коллекторов 56 м2, системами аккумулирования теплоты,
автоматизированного сбора и обработки экспериментальных данных, КИП и А.
Солнечная установка позволяет обеспечить экономию до 40% топлива, необ-
ходимого для покрытия тепловых потребностей в отоплении и 55% — в горячей
воде; получить расчетную годовую экономию 3,0 т у. т.
Сметная стоимость дома составляет 74,77 тыс. руб., в том числе солнечной
установки 7 тыс. руб. Разработчик: Институт высоких температур АН СССР,
Институт Дагестангражданпроект.
Не лишен архитектурной индивидуальности и определенных экологических
достоинств в условиях строительства в Даг. АССР дом серии «И» с жилой пло-
щадью 91 м2 (см. рис. 6.7). Дом предназначен для испытаний и отработки сол-
нечной установки горячего водоснабжения индивидуальных сельских жилых
домов. Он оборудован солнечной установкой с площадью солнечных коллекто-
ров 24 м2, системами аккумулирования теплоты, автоматизированного сбора
и обработки экспериментальных данных, КИП и А.
Солнечная установка позволяет: обеспечить экономию до 80% топлива, не-
обходимого для покрытия тепловых потребностей в горячей воде; получить рас-
четную годовую экономию 1,9 т у. т.
Сметная стоимость дома составляет 61,32 тыс. руб., в том числе солнечной
установки 3,5 тыс. руб. Предполагается построить 50 домов этой серии в поселке
247
Рис. 6.6. Одноквартирный жилой дом серии «М» с системой солнечного горячего водоснабжения
и отопления (полигон «Солнце»)
Рис. 6.8. Одноквартирный жилой дом серии
«П» с пассивной системой солнечного отопле-
ния и солнечной установкой горячего водо-
снабжения на полигоне «Солнце»
Рис. 6.7. Двухквартирный жилой дом серии
«И» с системой солнечного горячего водоснаб-
жения (полигон «Солнце»)
гидростроителей Ирганайской ГЭС в Даг. АССР. Разработчик: Институт высо-
ких температур АН СССР, Институт Дагестангражданпроект.
Дом серии «П» с жилой площадью 50,5 м2 (см. рис. 6.8) предназначен для
испытаний и отработки пассивной системы солнечного отопления и солнечной
установки горячего водоснабжения индивидуальных сельских жилых домов.
Нагревательным элементом системы отопления служит остекленная стена зда-
ния, ориентированная на юг, окрашенная в черный цвет. Дом оборудован сол-
нечной установкой горячего водоснабжения с площадью солнечных коллекто-
ров 15 м , системами аккумулирования теплоты, КИП и А, автоматизированного
сбора и обработки экспериментальных данных.
248
Солнечная установка позволяет: обеспечить экономию до 60% топлива, не-
обходимого для покрытия тепловых потребностей в отоплении и 70% в горячей
воде; получить расчетную годовую экономию — 2,2 т у. т.
Сметная стоимость дома составляет 27,99 тыс. руб., в том числе солнечной
установки 3 тыс. руб. Разработчик: Институт высоких температур АН СССР
Институт Дагестангражданпроект.
6.2. Энергоактивный комплекс сооружений
Крымской экспериментальной базы
по использованию солнечной энергии ЭНИН
им. Г. М. Кржижановского
В. Ф. Гершкович., Б. В. Тарнижевский, Г. А. Хорхот, Ю. М. Масин, И. В. Руднева
Государственный научно-исследовательский энергетический институт
(ЭНИН) им. Г. М. Кржижановского Минэнерго СССР проявил инициативу
в создании современной крупномасштабной экспериментальной базы для испы-
таний, проверки и доводки элементов, установок и систем преобразования и
использования солнечной энергии, главным образом с целью солнечного тепло-
и холодоснабжения зданий и сооружений.
Предполагается, что к экспериментальным работам на базе будут привлече-
ны организации других министерств и ведомств; будет организована подготовка
эксплуатационного персонала для обслуживания систем солнечного тепло-
и холодоснабжения при широком использовании их в народном хозяйстве. База
может быть использована также для проведения семинаров и конференций по
обмену опытом разработки, создания и эксплуатации систем солнечного тепло-
и холодоснабжения в гражданском и промышленном строительстве. Таким обра-
зом, экспериментальная база явится всесоюзным испытательным и методологи-
ческим центром по использованию солнечной энергии.
Проектирование, создание и эксплуатация этого комплекса является крупно-
масштабным экспериментом, предпринятым в нашей стране впервые.
Проектировал комплекс институт КиевЗНИИЭП по техническому заданию
ЭНИН им. Г. М. Кржижановского. Программой эксперимента предусмотрено
создание нового типа здания, оборудованного системой солнечного тепло- и хо-
лодоснабжения, обеспечивающей удовлетворение потребностей в теплоте и хо-
лоде за счет энергии солнца.
Предполагается, что элементы солнечного тепло- и холодоснабжения здания
будут служить в процессе эксплуатации испытательным стендом для проверки
эффективности заложенных в проектные решения схем и отработки технических
решений, связанных с использованием солнечной энергии.
Местоположение объекта (Крым, р-н Алушты) выбрано с учетом высоких
и стабильных характеристик радиационного климата, создающих необходимые
условия для длительных натурных испытаний солнечных установок в зоне пред-
полагаемого применения разрабатываемых систем по использованию солнеч-
ной энергии. Особое значение приобретает использование солнечной энергии для
курортных зон с точки зрения сохранения чистоты воздушного и водного бас-
сейнов.
Участок, выбранный под строительство, расположен на расстоянии 100 м
от уреза воды и имеет ярко выраженный рельеф с уклоном в сторону моря, с раз-
ницей отметок до 50 м. Эти качества учитывались, в первую очередь, при выборе
площадок под строительство. Генеральный план и архитектурно-планировочное
решение комплекса предусматривают максимальное сохранение живописного
ландшафта.
Верхняя площадка, на которой расположены основные здания комплекса,
249
Рис. 6.9. Общий вид сооружений экспериментальной базы по использованию солнечной энергии
ЭНИН им. Г. М. Кржижановского (проект)
Рис. 6.10. План комплекса основных сооружений базы (фото с макета)
250
находится между двумя грядами скал и занимает доминирующее место на участ-
ке. Нижнюю площадку предполагается использовать для размещения группы
экспериментальных жилых домов типа коттеджей с применением в них различ-
ных теплоэнергетических солнечных установок. Общий вид сооружений базы
и окружающего ландшафта показан на рис. 6.9 (проект).
Создание группы сооружений, подчиненных одной технологической зада-
че — максимальному использованию солнечной энергии при минимальных по-
терях теплоты, компактно расположенных, решенных в едином архитектурно-
пространственном приеме, в крупных формах, которые сами по себе будут яв-
ляться искусственными «скалами» среди хаоса существующих скальных обра-
зований, — основная композиционная идея комплекса.
Разработанный комплекс включает следующие объекты: лабораторный кор-
пус, плавательный бассейн, блок технических помещений, бассейн «Каскад» для
оборотного водоснабжения гелиотехнических устройств, открытые площадки
для испытания солнечных установок, наклонный подъемник. Все сооружения
комплекса являются крупномасштабными опытными стендами.
Лабораторный корпус, плавательный бассейн, блок технических помещений
запроектированы как группа композиционно и технологически связанных меж-
ду собой зданий. Пространство, расположенное между лабораторным корпусом
и бассейном, решено в виде зеленого партера террасного характера с брызгаль-
ным бассейном «Каскад» с включением декоративных газонов, цветников и от-
дельных скал. С восточной стороны бассейна на крутом обрывистом склоне рас-
положен амфитеатр, который будет служить местом отдыха сотрудников в рек-
реационное время.
В лабораторном корпусе запроектированы лаборатории с набором оборудо-
вания по индивидуальному технологическому заданию, экспериментальная
жилая секция, актовый зал с индивидуальной солнечной установкой кондицио-
нирования воздуха абсорбционного типа, стенд монтажа солнечных установок,
группа административных помещений.
Лабораторный корпус связан подземным переходом с двухэтажным помеще-
нием плавательного бассейна, в цокольном этаже которого предусмотрены ду-
шевые и технические помещения .
На уровне первого этажа к лабораторному корпусу примыкает коммуника-
ционный тоннель, соединяющий корпус с блоком технических помещений.
Освещение вестибюля, подсобных помещений кафе, а также кухонь жилой
секции осуществляется с помощью световодов.
Наклонная южная стена выполняет одновременно ограждающую функцию
и технологическую, связанную с поглощением солнечной энергии. Она запроек-
тирована в виде алюминиевых витражей с двухслойным остеклением и распо-
ложенными под ним гелиоприемниками с сетью трубопроводов.
Комплекс основных сооружений экспериментальной базы показан на рис.
6.10, 6.11, 6.12.
Технологическая потребность создания наклонной плоскости для установки
гелиоприемников определила сложную геометрию и конструктивную схему всех
сооружений комплекса. Угол наклона гелиоприемников 50° 12' является произ-
водным от принятого конструктивного решения и близким к оптимальному на-
клону по технологическим требованиям. При высоте этажа 3,6 м данный угол
обеспечивает модульный размер в плане, равный 3 м.
Определяющим фактором, повлиявшим на выбор конструктивной схемы
лабораторного корпуса, явилась технологическая потребность в использовании
низкопотенциальной теплоты, что привело к размещению змеевиков отопитель-
но-охладительной системы в нижней зоне панелей перекрытий.
Существующие серийные конструкции для общественных зданий предусмат-
ривают перекрытие из круглопустотных панелей толщиной 220 мм, в которых
невозможно разместить регистры отопления. Помимо этого, тавровая форма
251
Рис. 6.11. Вид комплекса с юго-востока (фото с макета)
Рис. 6.12. Вид комплекса с северо-востока (фото с макета)
252
типового ригеля не дает возможности произвести стыковку змеевиков отопления
(охлаждения) соседних панелей перекрытий в зоне ригелей.
Учитывая невозможность применения существующих типовых каркасных
сооружений, в проекте разработан пространственный сборно-монолитный кар-
кас с ригелями прямоугольной формы (сборная часть) и плоскими плитами пере-
крытия.
Из условия минимального числа сварных соединений в системе отопления
(охлаждения), производимых в условиях строительной площадки, размеры плит
перекрытия максимально укрупнены. Они запроектированы размером 5,8X2,8 м
и при стыковке образуют защемленный диск размером 6X6 м.
Отсутствие вертикального ребра в сборной части ригеля дает возможность
стыковки змеевиков отопления (охлаждения) в любом месте плана. Необходи-
мое из условий сейсмичности площадки строительства замоноличивание пане-
лей перекрытия используется для защемления плит перекрытия на опорах и для
увеличения высоты ригеля. Увеличение высоты ригеля с 30 до 43 см повышает
жесткость пространственного каркаса (рис. 6.13), который в этом случае может
воспринять возможные сейсмические усилия без постановки дополнительных
диафрагм жесткости.
Общая экспериментальная задача — создание нового типа здания, оборудо-
ванного системой тепло- и холодоснабжения, — поставила проблемы, которые
будут решены при проектированйи, строительстве и эксплуатации базы по ис-
пользованию солнечной энергии:
выявление принципов ограждения пространства самого сооружения с мини-
мальными потерями теплоты (холода) в увязке с новой технологией гелиотехни-
ческих отопительно-охладительных систем;
определение наилучших условий организации жилья в секционных зданиях
и малоэтажных жилых домах, оборудованных системой солнечного тепло- и хо-
лодоснабжения;
анализ и оценка разработанной конструкции наклонной плоскости для уста-
новки гелиоприемников, а также остекленной кровли над хлористолитиевой си-
стемой кондиционирования воздуха адсорбционного типа;
натурные испытания конструкций пространственного сборно-монолитного
каркаса из линейных элементов и плоскостей панелей перекрытия, защемленных
по контуру, для выявления распределения усилий с учетом их пространственной
работы;
натурные наблюдения и контрольные измерения элементов каркаса.
Строящийся комплекс сооружений экспериментальной базы ЭНИН будет
представлять собой тип энергоактивного здания, во внешнем облике которого
архитектурно-планировочными, конструктивными и композиционными средст-
вами решаются задачи, связанные с оптимальным использванием солнечной
энергии системами тепло- и холодоснабжения.
В зданиях экспериментальной базы ЭНИН используется солнечная энергия
для отопления и вентиляции зимой, для искусственного охлаждения и кондицио-
нирования воздуха летом, для горячего водоснабжения в течение всего года.
Вода в плавательном бассейне подогревается также за счет прямого освещения
солнечными лучами.
Принципиальная схема устройств для использования солнечной энергии со-
держит элементы, которые могут быть разделены на четыре группы (рис. 6.14).
К первой группе отнесены источники теплоты, солнечный коллектор 1, электроко-
тел 13, а также компрессионный тепловой насос 26 контура накопления. Вторая
группа устройств — накопители теплоты, к которым относятся закрытые резер-
вуары первой 2 и второй 3 групп, а также накопитель 7 системы горячего водо-
снабжения. Устройства третьей группы — это преобразователи теплоты, к ко-
торым относятся компрессионные тепловые насосы систем горячего водоснабже-
ния 24, а также теплоснабжения и вентиляции 25. К этой же группе относится
253
абсорбционная гелиохолодильная и теплонасосная установка 16—20. Установка
служит для преобразования солнечной энергии в холод летом и для дополни-
тельного теплоснабжения зимой. Последняя, четвертая группа устройств — это
потребители теплоты, к которым относятся отопительно-охладительные системы,
кондиционеры, система горячего водоснабжения и плавательный бассейн.
Принципиальная схема содержит также вспомогательные элементы (насосы,
теплообменники, трубопроводы), которые служат для связки основных групп,
для их взаимодействия и построения единой схемы солнечного тепло- и холодо-
снабжения здания.
Плоскость солнечных нагревателей совмещена с ограждением зданий. Об-
щая площадь солнечных коллекторов составляет 1200 м2. Зачерненные плоские
гелиоприемники из алюминиевых профилей ограждены от наружного воздуха
витражом с двухслойным остеклением, образующим наклонную с тыльной сто-
роны, обращенную к югу стену здания. Солнечные коллекторы защищены
эффективной теплоизоляцией и отделены от рабочих помещений вспомогатель-
ными техническими помещениями.
Все накопители и преобразователи теплоты расположены jb блоке техниче-
ских помещений. Накопители теплоты представляют собой теплоизолированные
вертикальные стальные сосуды вместимостью 16 м3 каждый. Общая вместимость
накопителей теплоты 128 м . Все накопители разделены на две группы по 64 м3
каждая. В то время как в первой группе происходит накопление теплоты, из вто-
рой группы она расходуется. Самостоятельную роль играет накопитель горячей
воды 7.
Компрессионными преобразователями теплоты служат серийные холодиль-
ные машины. Это возможно потому, что все потребители теплоты используют ее
при температурах до 50° С, что позволяет работать при допустимых давлениях
конденсации, обычных для холодильных машин.
Абсорбционный холодильный и теплонасосный агрегат разработан Институ-
том технической теплофизики АН УССР специально для здания базы ЭНИН.
Обычный для абсорбционных холодильных машин блок абсорбер-испаритель
16 соединен с воздушным десорбером 18 через гелиоподогреватель 17 абсорбен-
та. Подогретый в солнечном нагревателе абсорбент после контакта с наружным
воздухом восстанавливает свою концентрацию. В качестве абсорбента в гелио-
холодильной установке рекомендуется использовать водный раствор хлористого
лития.
Устройство потребителей теплоты рассчитано на невысокие температуры теп-
лоносителя. Большинство помещений обогревается потолочно-напольными ото-
пительно-охладительными железобетонными панелями, одновременно служа-
щими конструктивным элементом в зданиях. В панелях замоноличены стальные
змеевики, соединенные в систему отопления и охлаждения. Подобная конструк-
ция применена и в плавательном бассейне, где конструктивная прижимная же-
лезобетонная плита выполнена с замоноличенными полиэтиленовыми трубами.
В кондиционерах использованы поверхностные воздухоохладители для охлаж-
дения и подогрева приточного воздуха.
Предусмотрена возможность работы системы солнечного тепло- и холодо-
снабжения в разнообразных технологических режимах. Нагретая за счет сол-
нечной радиации вода при помощи насоса 4 попадает в одну из групп резервуа-
ров — накопителей теплоты (2 и <?), в то время как из другой группы теплота
расходуется. Если потенциал накопленной теплоты достаточен для использова-
ния потребителями (более 40°), то вода из накопителей при помощи насоса 23
подается непосредственно в системы отопления 27, вентиляции 28, а также в пла-
вательный бассейн 29 через водоподогреватель 34 и в систему горячего водо-
снабжения через водоподогреватель 6. При этом насос 36 не работает, а пере-
мычка вокруг него открыта для прохода воды. Если же температура воды в на-
копителях недостаточна для непосредственного использования (меньше 40° С),
254
в работу включается преобразователи теплоты. В этом случае насос 23 прокачи-
вает воду накопителей через испарители тепловых насосов 24 и 25, в то время как
с конденсаторов при помощи насоса 36 снимается теплота на необходимом для
потребителей температурном уровне. В режиме преобразования теплоты может
работать также и абсорбционный гелиохолодильный агрегат. В этом случае ох-
лажденная у потребителей вода при помощи насоса 36 подается в абсорбер бло-
ка абсорбер-испаритель 16 (на схеме змеевик справа), где подогревается и сно-
ва подается потребителю. В это время в испарителе блока охлаждается вода на-
копителей, циркулирующая при помощи насоса 23. Образующийся в абсорбере
слабый раствор подается на выпаривание в десорбер 18, где увлажняет
и подогревает наружный воздух, подаваемый затем вентилятором 20 непосред-
ственно в систему вентиляции; расход теплоты на подогрев вентиляционного
воздуха в кондиционере 28 при этом сократится. Таким образом, работа абсорб-
ционного гелиохолодильного агрегата в режиме трансформации теплоты воз-
можна днем, в часы работы приточной вентиляции.
При длительном отсутствии зимой солнечной радиации температура воды
в накопителях теплоты может понизиться до 0°. В этом случае предусмотрена
работа компрессорного теплового насоса 26 в контуре накопления. В испарителе
теплового насоса охлаждается морская вода, минимальная температура кото-
рой в районе Алушты +8° С, в то время как через конденсатор насосом 4 прока-
чивается холодная вода накопителей. Тепловой насос 26 использует также теп-
лоту отработанной в плавательном бассейне морской воды.
При аварийной ситуации в основных устройствах гелиосистемы предусмот-
рено использование в контуре накопления электрокотла 13.
Летом потребители 27 и 28 работают в режиме охлаждения. Отепленная
в этих системах вода подается насосом 36 в испаритель абсорбционной гелио-
холодильной машины, где охлаждается и вновь поступает к потребителям. Теп-
лота абсорбции отводится через градирню 21 при помощи насоса 22. В этом ре-
жиме вода в солнечных нагревателях 1 должна подогреваться до температуры
75—80° С и подаваться непосредственно в гелиоподогреватель абсорбента 17,
а увлажненный в воздушном десорбере 18 воздух вентилятором 20 выбрасывать-
ся наружу. При необходимости летом в режиме искусственного охлаждения
может работать также и компрессионный тепловой насос 25, испаритель кото-
рого соединен с контуром потребления, а конденсатор — с градирней.
В здании имеется также автономная система кондиционирования воздуха
актового зала с хлористо-литиевой воздухоосушающей установкой и солнечным
регенератором, выполненным в виде открытого выпаривателя раствора на на-
клонной кровле покрытия зала.
В связи с возможностями использования различных режимов эксплуатации
гелиосистемы и необходимостью выбора оптимального режима научным отделе-
нием КиевЗНИИЭПа разрабатывается алгоритм автоматического управления
гелиосистемой, который будет реализован при помощи управляющей ЭВМ по
схемам, разрабатываемым Киевским институтом автоматики Минприбо-
ра СССР.
Опытная эксплуатация комплекса устройств гелиосистемы позволит нако-
пить необходимый опыт, на основе которого можно будет дать рекомендации по
использованию принятых в проекте технических решений для гражданских зда-
ний различного назначения. Положительные результаты эксперимента по все-
стороннему использованию солнечной энергии в сооружениях комплекса будут
в дальнейшем использованы в практике строительства аналогичных объектов
в различных районах страны.
В СССР создано около 50 различных объектов гражданского строительства
(жилых и общественных зданий) с использованием солнечной энергии главным
образом для горячего водоснабжения и в ряде случаев для отопления. Сооружа-
емая Крымская экспериментальная база по использованию солнечной энергии
255
ЭНИН им. Г. М. Кржижановского выделяется главным образом комплексной
сущностью впервые реализуемой системы солнечного тепло- и холодоснабжения,
функциональным характером архитектурно-планировочных решений, а также
масштабами.
6.3. Аккумулирование солнечной энергии
для систем отопления в горных районах тропиков *
В. Б. Козлов
Во многих африканских странах, несмотря на жаркий климат, ночью в гор-
ных районах наблюдаются значительные понижения температуры. Характерным
примером является Гвинейская Республика, которая расположена в жаркой
тропической зоне экваториальной Африки в диапазоне 8—12° с.ш. Тем не менее,
в горном районе массива Фута-Джаллон, занимающем около 20% территории
страны, ночная температура воздуха зимой падает до 3—5° С. Для примера
в табл. 6.1 приведены значения абсолютного минимума температуры воздуха за
несколько лет в г. Лабе.
Зимой в дневное время наблюдаются высокие уровни падающей радиации
и температуры. Указанное позволяет поставить задачу создания солнечной си-
стемы теплоснабжения с аккумулированием тепловой энергии. При этих усло-
виях эксплуатации к аккумулятору в системе теплоснабжения предъявляются
следующие требования: «зарядка» тепловой энергии днем; «разрядка», т. е.
удовлетворение потребностей в теплоте, ночью; способность создавать требуе-
мый запас тепловой энергии с учетом вероятностного характера прихода солнеч-
ной энергии днем. Требования к аккумуляторам рассмотрены подробно в ряде
работ [1—7].
Использование солнечного отопления экономически оправдано в любых зо-
нах, если первоначальные затраты на строительство системы сопоставимы со
стоимостью обычных отопительных систем. Одной из главных задач является
оптимальная организация процесса аккумулирования солнечной теплоты. При
этом для создания аккумулятора должны быть приняты приемлемые с экономи-
ческих позиций решения, поскольку доля стоимости аккумулятора в общей стои-
мости системы значительна. Экономически приемлемое решение должно основы-
ваться на сравнительно малом объеме теплового аккумулятора. Кроме того,
местные условия диктуют необходимость располагать аккумулятор внутри зда-
ния. Это объясняется тем, что стоимость выносного (в том числе и расположен-
ного под домом) аккумулятора резко увеличивает стоимость системы аккумули-
рования в условиях конъюнктуры местного внутреннего рынка; высокие средние
суточные температуры окружающего воздуха практически полностью изменяют
принципы теплоизоляции аккумулятора по сравнению с северными широтами,
где размещение последнего под отапливаемым домом определяется в значитель-
ной мере вопросами теплоизоляции; поддержание требуемого санитарного со-
стояния в аккумуляторе (предотвращение заплесневения, что особенно харак-
терно для аккумуляторов с каменной насадкой и воздушным теплоносителем)
в местных условиях проще осуществить для встроенного аккумулятора. В совре-
менных небольших домах нельзя рассчитывать на то, что для аккумулятора сол-
нечной теплоты возможно выделить большое пространство, по крайней мере.
* Работа выполнена в Советско-гвинейском научно-исследовательском центре (НИЦ), г. Ко-
накри, Гвинейская Республика, интернациональным коллективом в составе А. Исманжанова,
В. Б. Козлова, Махмед Л. Каба, Б. Барри, В. А. Герасимова.
256
Таблица 6.1. Абсолютный минимум температуры воздуха в г. Лабе, ''С
(горный массив Фута-Джаллон, 1025 м над уровнем моря)
Годы Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
1970 5 7 8 II 16 15 17 17 15 12 8 5
1971 4 6 9 15 13 15 15 II 17 10 10 5
1980 8 7 12 12 II II 11 II 12 II 9 5
большее, чем объем, занимаемый традиционным очагом в типичных гвинейских
домах. Если в горных районах этот очаг расположен в строении, то он занимает
примерно 3—4% общего объема здания. Принимая объем «среднего» здания за
200 м3, получаем, что аккумулятор теплоты должен занимать не более 8 м3, что
примерно соответствует параллелепипеду размером 1,5X2,1X2,5 м.
Вопрос разработки и создания солнечных систем отопления с применением
аккумуляторов неразрывно связан с аккумулирующими способностями собст-
венно здания, требующего подвода теплоты.
В некоторых работах, посвященных регулированию потока солнечной радиа-
ции в зданиях, рассматриваются вопросы снижения теплового потока в них,
применительно к жарким климатическим районам [2, 6]. Однако в горных райо-
нах тропиков важным является эффективное пассивное аккумулирование в пе
риод солнечной части суток, что позволяет несколько снизить тепловую нагрузку
на солнечную систему активного отопления. Для этого нужна правильная ориен-
тация зданий по странам света, так как от последней зависит величина посту-
пающей на стены зданий солнечной радиации. Для более эффективного исполь-
зования аккумулирующих возможностей зданий в горных районах тропиков не-
обходимо помимо географической широты местности учитывать ориентацию
зданий. При этом массивные стены, способные осуществлять аккумулирование
тепловой энергии, ориентируют в направлении тех стран света, по направлению
которых наблюдаются наибольшие теплопритоки в данной местности. До на-
стоящего времени эти вопросы не были изучены в условиях Гвинейской Респуб-
лики, что не позволяло дать обоснованные рекомендации для строительства
в местных условиях. В результате проведенных в 1981 —1984 гг. длительных из-
мерений падающей радиации на горизонтальную поверхность и на вертикаль-
ные поверхности по странам света в Конакри и в ряде различных районов стра-
ны (включая горные районы плато Фута-Джаллон) были получены необходи-
мые данные, они позволили получить значения радиационного потока, поступаю-
щего на горизонтальные (крыши зданий), а также вертикальные (стены зданий)
поверхности, ориентированные по странам света: восток, юг, запад, север. Из-
мерения были проведены для различных сезонов года (сезон дождей, сухой се-
зон, переходные периоды). Результаты измерений для двух дней сезона дождей
в районе Конакри (14, 15 июля 1982 г.) приведены на рис. 6.15.
При обработке измерений выяснилось, что в сезон дождей наибольшая сол-
нечная радиация поступает на крышу, а затем на стены зданий, ориентирован-
ные на восток и запад. Если суммарную дневную радиацию принять за 100%, то
восточная стена получает 65—70%, западная — 55—60%, тогда как южная
и северная стены — только около 40—44%. В период сухого сезона, когда в ат-
мосфере присутствует много водяных паров в виде легкого тумана и пыли,
а солнце находится в южном полушарии, распределение солнечной радиации
отличается от распределения в сезон дождей. Отличие сводится в основном к аб-
солютным значениям радиации, а указанная выше ранжировка по величине ра-
диации по различным странам света остается без изменения.
Важным параметром, характеризующим способность строительных конст-
257
рукций аккумулировать тепловую энергию, является коэффициент поглощения
солнечной радиации. Его величина различна при разных состояниях поверхно-
сти. В условиях тропиков состояние поверхности бетонных конструкций резко
меняется после одного или двух сезонов дождей. Бетонные поверхности покры-
ваются плесенью, что меняет их оптические характеристики. Это должно учиты-
ваться при определении теплопритоков в здание. Зависимость коэффициента по-
глощения бетонных стен от длины волны при различном состоянии их поверхно-
сти представлена на рис. 6.16.
Обоснованные решения, принятые по перечисленным выше вопросам (ориен-
тация и учет теплопритоков, определяемых состоянием поверхности зданий),
позволяют оптимально осуществить пассивное аккумулирование теплоты в зда-
нии, требующем отопления в определенный климатический период в условиях
горных тропиков. При этом «пассивное» аккумулирование при снижении темпе-
ратуры окружающей среды ниже определенного уровня может обеспечить толь-
ко основу удовлетворения отопительных отребностей. Остальная часть отопи-
тельной нагрузки должна быть удовлетворена за счет работы активной системы
солнечного отопления.
Разработаны методы аккумулирования солнечной энергии в активных систе-
мах, из которых наиболее распространенным считается аккумулирование в виде
тепловой энергии [1—3]. Этот метод на сегодняшний день остается пока наибо-
лее практичным для систем низкопотенциального теплоснабжения. Наиболее де-
шевыми, легкодоступными, надежными и удобными в эксплуатации являются
аккумуляторы с водяным или воздушным теплоносителем и каменной насадкой
[1, 4, 5, 7]. Среди них водяные аккумуляторы наиболее теплоемкие. Удельная
теплоемкость воды составляет 4,18 кДж/(кг- град), т. е. почти в 5 раз больше
по сравнению с теплоемкостью камня |в среднем 0,879 кДж/(кг- град)].
Однако изготовление водонагревательных коллекторов и теплообменников
соответствующей конструкции, где требуется сложная технология для соблюде-
ния герметичности, дефицитные материалы и тщательная эксплуатация, пред-
ставляется затруднительным на данном этапе в условиях Гвинейской Республи-
ки. Для отопления выбрана схема аккумулятора солнечной энергии с воздуш-
ным теплоносителем и каменной аккумулирующей насадкой.
Для проектирования системы отопления жилого помещения необходимо
экспериментально определить ряд характеристик аккумулятора. К ним, в част-
ности, относятся: теплоемкость каменной насадки; удельное количество теплоты,
аккумулируемое единицей объема или массы насадки аккумулятора; скорость ее
зарядки и разрядки; максимально возможная и средняя температуры теплоноси-
теля; динамика процессов внутреннего теплообмена в аккумуляторе; величины
тепл оп отер ь.
В Гвинейской Республике аккумулирующей насадкой в системах с воздуш-
ным теплоносителем могут служить легко доступные местные горные породы —
латериты и долериты, образующие верхнюю часть грунта большей части терри-
тории страны. Информация о величине теплоемкости таких пород необходима
для расчета требуемого количества гравийной насадки аккумулятора для отоп-
ления конкретного здания с учетом графика прихода солнечной радиации и дру-
гих метеорологических и конструктивных факторов.
С этой целью были проведены работы по экспериментальному определению
удельной теплоемкости латеритов и долеритов, взятых в различных районах
страны. Эксперименты проводились методом каЛориметрирования, было иссле-
довано более 20 образцов. Измерения показали, что средняя плотность латери-
тов составляет 2,37±0,12- 103 кг/м3. Удельная теплоемкость этих пород, со-
гласно результатам экспериментов, колеблется в пределах от 2,3- 103 кДж/
(м3- К) до 3,7- 103 кДж/(м3- К).
Средние значения удельной теплоемкости и плотности латеритов и долери-
тов, которые могут быть использованы в аккумуляторах, приведены в табл. 6.2.
258
Для сравнения в ней приведена удельная
теплоемкость наиболее распространенной
аккумулирующей насадки — речной
гальки.
Удельная теплоемкость латеритов не-
Таблица 6.2. Удельная теплоемкость
и плотность типичных горных пород
массива Фута-Джаллон, пригодных
к использованию в качестве аккумулирующей
иасадки в воздушных системах
солнечного теплоснабжения
Породы Плотность, кг/(мл- 103) Удельная теплоемкость кДж/(кг- К)
Латериты 2,37 1,09
Долериты 2,95 0,74
Речная
галька — 0,88
сколько больше теплоемкости долеритов
и речной гальки. Это положительно с точки
зрения объема и массы аккумулятора из
латеритов, необходимых для резервиро-
вания заданной величины тепловой мощ-
ности.
Для исследования особенностей про-
цесса аккумулирования солнечной энергии
в условиях тропиков была разработана
и изготовлена экспериментальная установка с гравийным аккумулятором и сол-
нечным воздухонагревательным коллектором, принципиальная схема которой
приведена на рис. 6.17. Размеры воздухонагревательной панели с одинарным
остеклением составляют 1000X760X150 мм, размеры внутренней деревянной
емкости с гравийной насадкой 600 X 300 X 300 мм, размеры внешнего корпуса
800X500X500 мм, диаметр воздуховодов — 105 мм (воздуховоды теплоизоли-
рованы). Толщина теплоизоляции из древесных стружек между внутренним
и внешним корпусом составляет 100 мм. Для измерения основных параметров,
необходимых для проведения теплового расчета, установка оборудована пятью
термопарами, позволяющими измерять температуру на различных уровнях ак-
кумулятора по высоте. Заслонки, установленные в воздуховодах на входе и вы-
ходе из аккумулятора, позволяют регулировать расход воздуха, вплоть до пол-
ного его перекрытия.
Для работы установки в режиме принудительной циркуляции воздуха (в ре-
жиме разрядки) в воздуховоде установлен вентилятор с регулируемым числом
оборотов. Расход воздуха в системе измеряется пересчетом через скорость по-
тока (при заданном сечении), последняя определяется по анемометру. Темпера-
тура воздуха в коллекторе, на выходе из аккумулятора (около анемометра),
а также температура окружающего воздуха измеряются термометрами.
Эксперименты проводились на испытательной площадке научного Центра
в Конакри, а также на плато Фута-Джаллон в Лабе. Тепловым аккумулятором
служили латеритовые породы со средним диаметром образцов 2—2,5 см, собран-
ные непосредственно в Лабе. Общая масса гравийной насадки в аккумуляторе
равнялась 51 кг.
При проведении всех экспериментов измерялись следующие параметры: ин-
тенсивность солнечной радиации, температура окружающего воздуха, влаж-
ность воздуха, температура воздуха на выходе из коллектора, температура воз-
духа на четырех уровнях в аккумуляторе (внизу, в середине, наверху и на выходе
из аккумулятора), температура гравия (термопара была смонтирована непо-
средственно в середине камня), температура выходящего воздуха у анемометра,
скорость воздушного потока в воздухопроводе (расход воздуха рассчитывался
по градуировочной таблице анемометра).
Зависимости температуры воздуха в коллекторе и на четырех уровнях в каме-
ре аккумулирования, а также на входе из нее, температуры гравия, расхода воз-
духа, температуры окружающего воздуха от интенсивности солнечной радиации
для двух дней непрерывного эксперимента приведены на рис. 6.18.
Как видно из представленных на рисунке результатов, наибольшая темпера-
тура воздуха в аккумуляторе внизу, она постепенно снижается по высоте акку-
мулятора. При этом, поднимаясь вверх и отдавая теплоту камням, воздух ох-
лаждается.
259
Рис. 6.13. Схема пространственного сборно-
монолитного каркаса лабораторного корпуса
1 — монолитные железобетонные пояса; 2 —
панели перекрытия с регистрами отопления
8 9 ЮЛ Л ZJ 74 Л !Б f7 f8?,vm,
Рис. 6.15. Зависимость падающей радиации UZ
от времени суток в пределах светового дня
для горизонтальной поверхности (сплошные
iuhuu) и для стен зданий, ориентированных по
странам света (С, Ю, В, 3), для двух дней се-
зона дождей
Рис. 6.16. Зависимость коэффициента погло-
щения бетонных стен при различных длинах
волн излучения от состояния поверхности
1 - - побеленные стены; 2 - - непобеленные сте-
ны; 3 стены, покрытые плесенью
Рис. 6.17. Принципиальная схема эксперимен-
тальной установки солнечного воздушного
отопления с гравийным аккумулятором
1 — вентилятор; 2 — воздуховоды; 3 — термо-
пары; 4 — теплоизоляция; 5 — гравийная
насадка; 6. 7 — соответственно внутренний
и внешний корпусы; 8 — заслонки; 9 — ане-
мометр; 10 —термопары; // — солнечный
коллектор
Коэффициент полезного действия к.п.д. воздухонагревательного коллектора
по ранее проведенным экспериментам равнялся 38—40%. Для определения
к.п.д. собственно солнечного воздушного коллектора была создана специаль-
ная установка, с помощью которой измеряли тепловые и расходные характери-
стики на входе из коллектора в испытаниях отдельно от установки аккумулиро-
вания. Значения эффективности (к.п.д.) всей аккумулирующей установки, вклю-
чая и коллектор, в разные дни проведения экспериментов, равнялись:3,97% —
29 сентября; 4,73% — 30 сентября; 9,2% — 1 октября; 8,35% — 2 октября.
В эти дни в гравийной насадке было аккумулировано соответственно 284,58;
260
Источники
теплоты
Накопители и преобразователи
теплоты
Потребители
теплоты
Рис. 6.14. Принципиальная схема системы гелиотеплохладоснабжения (ГТХС)
1 - солнечный нагреватель; 2 — накопители теплоты первой группы; 3 — накопители теплоты вто-
рой группы; 4 — циркуляционный насос контура накопления; 5 — водоподогреватели первой ступе-
ни системы горячего водоснабжения; 6 — водоподогреватель второй ступени; 7 — накопитель горя-
чей воды системы горячего водоснабжения; 8 — трубопровод от городского водопровода; 9 - потре-
бители горячей воды; 10 — узел водоподготовки; 11 —бак подпиточной воды; 12 подпиточный
насос; 13 -электрокотел; 14 — водоподогреватель; 15— циркуляционный насос контура электро-
котла; 16 — блок абсорбер-испаритель гелиохолодильной и теплонасосной установки; 17 — гелио-
подогреватель абсорбента; 18 — воздушный десорбер; 19 — насос крепкого раствора; 20 — венти-
лятор десорбера; 21 — градирня; 22 — насос градирни; 23 — циркуляционный тепловой насос;
24 — компрессорный тепловой насос системы горячего водоснабжения; 25 — компрессорный тепло-
вой насос системы теплоснабжения и вентиляции; 26 — компрессорный тепловой насос контура на-
копления; 27 — потолочные панели низкотемпературной системы отопления или охлаждения; 28 —
центральный кондиционер; 29 — плавательный бассейн с морской водой; 30 — водопровод морской
воды; 31 — водоструйный насос; 32 — сброс морской воды; 33 — обогреваемое днище бассейна;
34 — подогреватель морской воды; 35 — насос морской воды; 36 — циркуляционный насос контура
потребления; а — компрессор; б — конденсатор; в — испаритель
474,31; 822,12; 853,74 кДж тепловой энергии при падающей на поверхность кол-
лектора радиации 8,93; 11,15; 12,77 МДж соответственно.
Если считать, что использование воздуха, выходящего из аккумулятора, теп-
лотехнически неэффективно при температуре ниже 25° С, то в экспериментах за
28, 29, 30 сентября и 1, 2 октября 1983 г. при разрядке аккумулятора до 25° С
возможно было бы получить от аккумулятора соответственно 664,02; 790,5;
1043,51; 1264,82 кДж энергии. Эффективность (к.п.д.) установки составила бы
в этом случае 8,28—12,3% соответственно. Однако в некоторых режимах темпе-
ратура воздуха на выходе из аккумулятора достигала 35° С в режиме «заряд-
ка». Испытания данной установки в условиях Конакри показали к.п.д. 2,37—
11,7%, в зависимости от величины падающей радиации.
Скорость нагревания гравия в аккумуляторе зависит от температуры посту-
пающего от коллектора воздуха, а следовательно, от падающей радиации. Так,
261
-К-Х--2 -II—I--5
Рис. 6.20. Зависимость температуры воздуха
в тепловом аккумуляторе на различных уров-
нях по высоте от времени суток при проведе-
нии эксперимента в условиях тропического
высокогорья (г. Лабе)
Рис. 6.18. Зависимость основных теплотехнических характеристик теплового аккумулятора с воз-
душным теплоносителем от времени суток для двух дней эксперимента в условиях высокогорья
(г. Лабе, Гвинейская Республика, 1 и 2.10.83 г.)
1 — температура воздуха внизу аккумулятора; 2 температура воздуха в середине аккумулятора;
3 — температура воздуха наверху аккумулятора; 4 — температура воздуха на выходе из аккумуля-
тора; 5 температура окружающего воздуха; 6 расход воздуха; R — солнечная радиация,
Т, — температура гравия; Tk — температура воздуха в коллекторе
Рис. 6.19. Зависимость температуры гравия
в тепловом аккумуляторе с воздушным тепло-
носителем от времени суток для различных
дней эксперимента в условиях тропического
высокогорья (г. Лабе, 29.09—2.10.83 г.)
262
при суммарной дневной радиации 8 МДж скорость нагрева гравия составляла
около 0,33° С/ч, а при значении суммарной дневной радиации 11 —12 МДж ско-
рость нагрева гравия возрастала до 1,3—1,4° С/ч (рис. 6.19).
Процесс нагрева гравия в аккумуляторе заканчивается примерно в 16—17 ч,
т.е. в то время, когда начинается снижаться уровень солнечной радиации. Далее
идет выравнивание температуры воздуха на различных участках объема акку-
мулятора за счет конвективного теплообмена (рис. 6.20).
Скорость разрядки аккумулятора (скорость охлаждения каменной насадки)
также зависит от режима циркуляции воздуха. Так, при вынужденной циркуля-
ции с помощью вентилятора, когда расход воздуха равен 3,5- 103 м3/с, ско-
рость разрядки равна 0,6—0,7° С/ч.
В режиме естественной циркуляции, когда расход воздуха менее 10~3 м3/с,
скорость разрядки составляет около 0,45° С/ч. При закрытых заслонках, т.е. при
отсутствии прямого воздухообмена с окружающей средой, скорость охлажде-
ния камней снижается и составляет 0,35° С/ч (определяется только теплопоте-
рями в окружающую среду). Поэтому, при проектировании конкретной системы
солнечного отопления, схему циркуляции теплоносителя целесообразно делать
замкнутой (проверено экспериментально). Для снижения тепловых потерь в
процессе зарядки аккумулятора установка была реконструирована — добавлен
воздуховод рециркуляции, позволяющий подавать воздух в режиме «зарядки»
с выхода аккумулятора на вход в нагревательный коллектор. Указанное позво-
ляет повысить к.п.д. установки в целом на 12—15% при прочих равных усло-
виях.
Для расчета аккумуляторов с каменной насадкой важным показателем яв-
ляется объемный коэффициент теплоотдачи «г, Вт/ (м- град), рассчитывае-
мый по данным [4]:
aF=^(CM/d), (6.1)
где Гм— массовая скорость, кг/(с- м2); d — эквивалентный сферический диаметр частиц, м.
d= [6/тг(Г2/п]1/3, (6.2)
где V'v — суммарный объем частиц; п — число частиц в объеме.
Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что их обобще-
ние возможно с помощью приводимого выше выражения для подбором чи-
сленного коэффициента К, значение которого в работе [4] принято Л=650.
При расчете аккумуляторов с каменной насадкой можно использовать как
аналитические, так и численные методы.
Получить аналитическое решение трудно, когда величина температуры на
входе в аккумулятор является функцией времени, как это бывает при работе сол-
нечного коллектора в зависимости от величины падающей радиации. Предпочти-
тельнее использование численных методов.
Существенным представляется определение оптимального соотношения меж-
ду поверхностью коллектора и массой аккумулирующей насадки. Использование
массы аккумулирующей насадки, большей или меньшей оптимальной (при за-
данной поверхности коллекторов) приводит к снижению эффективности аккуму-
лирования энергии. В каждом конкретном случае задача должна быть решена,
например, численным методом.
Проведенные в Лабе эксперименты показали принципиальную возможность
создания системы солнечного теплоснабжения для горных районов Гвинеи с ис-
пользованием аккумулятора с каменной насадкой. К настоящему времени закон-
чены работы по выбору оптимальной схемы отопления, элементы которой могут
быть изготовлены на местной технологической и производственной базе без при-
менения дорогостоящих и труднодоступных материалов.
Во время двух экспедиций в горный район Фута-Джаллон в 1983 и 1984 гг.
263
в Лабе и Делаба по согласованию с местной администрацией были подобраны
два подходящих строения, которые можно переоборудовать под жилой дом со
встроенной системой солнечного отопления. Подробная характеристика выбран-
ного строения приведена в годовом отчете за 1983 г. [8]. В начале 1984 г. были
закончены проектные проработки реконструкции дома в Лабе, согласованные
с администрацией Гвинейской Республики [9,10]. В основу проектных разрабо-
ток и выполненных расчетов положены экспериментальные данные, получен-
ные на лабораторной модельной установке солнечного воздушного отопления.
Список литературы
1. Даффи Дж. А., Бекман У. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. — М.:
Мир, 1977
2. Андерсен Б. Солнечная энергия (Основы строительного проектирования). — М.: Стройиздат,
1982.
3. Экономия энергии при застройке городов. Пер. с англ, под ред. Э. В. Сарнацкого. — М.: Строй-
издат, 1983.
4. Lof G. О. G. Hawley R. W. Unsteady State Heat Transfer between Air and Loose Solids. Ind. Eng
Chem, 40, 1061 (1948).
5. Авезов P. P., Гафуров A. M., Рузимурадов Б. Результаты исследований системы воздушного
солнечного обогрева двухэтажного двухвартирного дома. — Гелиотехника К» 5, 1983. — с. 64.
6. Харкнесс Е., Мехта М. Регулирование солнечной радиации в зданиях. — М.: Стройиздат, 1984.
7. Козлов В. Б., Рудяк Ю. Г. Оптимизационная модель системы солнечный водонагреватель — ак-
кумулятор - - потребитель с переменным расходом теплоносителя. — Гелиотехника, № 5., 1978, с. 52.
8. Герасимов В. А., Кава М. А., Козлов В. Б. и др.Отчет Отдела гелиофизики Советско-Гвинейского
Научно-исследовательского Центра (НИЦ) за 1983 г. Фонды НИЦ № 64, Конакри, Гвинейская
Республика.
9. Ифоно Али, Каба М. М., Козлов В. Б. Отчет Отдела гелиофизики Советско-Гвинейского Научно-
исследовательского Центра (НИЦ) за 1984 г. Фонды НИЦ № 136, Конакри, Гвинейская Рес-
публика.
10. Kaba М. L., Kozlov V. В. Directions principales et methodologie de recherche du centre de Rogbane
en heliophysigue. Bulletin du centre de Rogbane, № I, 1985, Conakry.
7. ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ РАЗРАБОТКИ СОЛНЕЧНЫХ
ЭНЕРГОАКТИВНЫХ ЗДАНИЙ
7.1. Технико-экономические обоснования
строительства энергоактивных зданий в НРБ
В. Иванов, М. Балабанов, К. Спасов (НРБ)
Экономическая целесообразность использования солнечной энергии взамен
ископаемых видов топлива определяется в сопоставлении с капиталовложения-
ми, требующимися для создания таких систем, и действительной эффектив-
ностью систем, преобразующих солнечную энергию. Эта эффективность во мно-
гом зависит от интенсивности и количества поступающей к гелиоприемникам
солнечной энергии, т.е. от региональных климатических условий и географиче-
ского положения района строительства. Так, для областей, которые расположе-
ны в Центральной Европе на широте около 50° с. ш., сбор и преобразование сол-
нечной энергии, по данным NASA 1977 г [1], в 2 раза дороже, чем в Северной
Африке, Южной Америке или Средней Азии, а также в южных районах европей-
ской части СССР.
7.1.1. Распределение зданий в населенных местах и их энергетические свой-
ства. К населенным местам следует относить большие и малые города, села, ку-
© В. Иванов, М. Балабанов, К. Спасов, 1987.
264
рортные и дачные поселки. Большие города отличаются наибольшей плотностью
застройки. Кроме того, в больших городах при наибольшей плотности застройки
здания имеют наибольший объем, в то время как в селах и дачных поселках зда-
ния, как правило, малообъемны.
Архитектурный стиль и внешний облик старого жилищного фонда в больших
городах зачастую не может быть изменен. Новые жилые кварталы могут и долж-
ны застраиваться согласно новым требованиям к теплофизическим характери-
стикам зданий. Это означает, что их теплоизоляционная способность должна
отвечать новым ценам на энергоресурсы. Уменьшение энергетических расходов
зданий достигается с наименьшими затратами путем снижения их тепловых
потерь. Активное использование солнечной энергии и теплоты окружающей сре-
ды также способствует значительному снижению энергетических расходов.
Рассмотрим здание старого жилищного фонда в ФРГ с жилой площадью
130 м2 [2]. На рис. 7.1 показана эффективность отдельных мероприятий по сни-
жению гелиопотерь здания, а на рис. 7.2 дана схема для расчета энергетического
баланса здания. При этом учтены стена Тромба, остекленный цветник, каменный
аккумулятор, аккумулятор холода, абсорбер, тепловой аккумулятор, электриче-
ский абсорбционный тепловой насос, тепловодяной или иной аккумулятор, сол-
нечный коллектор и традиционное отопление (воздушное, напольное или радиа-
торное), возможно с каменным аккумулятором. Расчет выполнен на ЭВМ. При
составлении программы для ЭВМ исходили из того, что исследуемая система
подвержена воздействию большого числа реальных факторов, в частности, были
взяты действительные климатические данные за 1980 г.
На рис. 7.3 показаны дневные тепловые потери зданий с различной тепловой
изоляцией, а на рис. 7.4 — годовые тепловые потери опытного здания с окнами
южной ориентации. Лучшая теплоустойчивость здания традиционного испол-
нения очевидна. Ясно также, что тепловые потери резко снижаются при исполь-
зовании ставен или жалюзи в окнах большого размера.
На рис 7.5 представлена схема отопления того же самого здания и приготов-
ления горячей воды для шести жильцов. При использовании солнечной энергии
посредством трубчатых вакуумированных коллекторов или коллекторов с одним
стеклянным покрытием, связанных с аккумуляторами, энергия, необходимая для
отопления, уменьшается. Как видно из рисунка, трубные вакуумированные кол-
лекторы более эффективны, но при использовании невакуумированных трубных
коллекторов результаты будут лишь незначительно хуже, если их тыльная по-
верхность хорошо изолирована. Кроме того, при изоляции здания по шведским
нормам его тепловые потери снизятся на 10500 кВт- ч и могут быть покрыты
благодаря использованию трубных коллекторов площадью около 50 м2.
Из сказанного выше можно сделать вывод, что для эффективного использо-
вания энергии необходимы дополнительная изоляция зданий старого жилищ-
ного фонда и строительство новых зданий только с улучшенной изоляцией.
Строительные элементы зданий, ранее построенных в Европе между 42 и
55° с. ш., имеют следующие коэффициенты теплопередачи, Вт/м2- К): внешние
стены — Кст= 1,6—1,9; внешние проемы — КпР=2,33—2,56; полы — К„ =
= 1,4—1,9; потолки — Клт=1,9—2,6.
Во многих странах введены новые нормы для новых зданий или дополнитель-
ной изоляции зданий старого жилищного фонда с целью снижения расхода
теплоты, например, рекомендуются следующие коэффициенты теплопередачи,
Вт/(м2- К): внешние стены—Кст=0,46—0,57; внешние проемы — КпР=
= 1,3—1,8; полы — Кп=0,4—0,8; потолки — КдТ=0,3—0,5.
Чтобы найти годовую экономию теплоты, необходимо получить годовые
расходы теплоты по старым нормам О(оа и по новым нормам О"ол, тогда <2ГОДЭК=
= <2год —Ог'од, Вт- ч/год.
Суммируя месячные тепловые потери, получают годовые теплопотери
Qr=SQM. Для рассматриваемого случая
265
Рис. 7.1. Снижение теплопотерь при дополни-
тельной теплозащите зданий
1 — теплопотери за год; 2 — теплопотери пос-
ле изоляции пола; 3 — то же, после изоляции
потолка; 4 — то же, при ограничении отопле-
ния ночью; 5 — то же, при использовании
уплотненных трехслойных окон; 6 — то же, при
использовании внешней изоляции толщиной
12 см; 7 — то же, с применением регенера-
тора теплоты вентиляции с к.п.д. 65%
Месяцы
S)
1 2 3 4 5 6 18 9 10 11 12
Месяцы
Рис. 7.3. Дневные тепловые потери зданий с различной тепловой изоляцией
а модель здания старого жилого фонда; б — модель здания, изолированного в соответствии
с нормами ФРГ; в модель здания, изолированного в соответствии с нормами Швеции
266
Рис. 7.2. Компоненты, оказывающие влияние
на энергобаланс здания
по’с
Рис. 7.4. Годовые теплопотери здания с раз-
личной конструкцией окон и ограждений
1 — окна без ставен; 2 — облегченные ограж-
дения; 3 — окна со ставнями; 4 — массивные
ограждения
Рис. 7.6. Схема теплофикационной трубной
сети с несколькими теплоснабжающими кон-
турами
Рис. 7.5. Отопление здания с помощью обык-
новенных и вакуумированных солнечных кол-
лекторов и влияние годовых теплопотерь на
требуемую площадь коллекторов
! коллектор с одним стеклянным покры-
тием; 2 — объем водяного аккумулятора; 3 —
вакуумированный коллектор; 4 — объем водя-
ного коллектора
267
GM-™z0'ecpM Вт-ч/мес;
2" Вт-ч/мес
и
0-оД.Эк = 2^м-<2м] =2^(G'-<2")ecpJ Вт-ч/год,
где tn — число часов в сутки, в течение которых будет осуществляться отопление; при непрерывном
отоплении т=24 ч; г — число дней в году; QcpM= (/зд—4Р.М)/(6Д—/„) —безразмерная месячная
температура; /зд температура воздуха в здании. К; tn — расчетная наружная температура по
нормам для соответствующей области, К-
Капиталовложения в размере В левов, сделанные для улучшения изоляции
и снизившие теплопотери с Q' до Q" (см. рис. 7.2), привели к экономии энергии
Qron.SK на сумму D левов, следовательно, в первом приближении сумма В выпла-
тится за n=B/D лет. Амортизационные отчисления определяют по формуле
K = rA +R,
где r=qn (q—\)/(qn — I) —фактор погашения; q— 1+ Р/Ю0 Р—функция прибыли; R— годовые
издержки на возможный ремонт.
Сумма R, дающая годовые издержки на ремонт изоляции, реальна в тех
случаях, когда изолируется здание старого жилого фонда, а не когда изоляция
выполнена одновременно со строительством.
Если здание изолируется по нормам ФРГ, то для здания старого жилого
фонда площадью 130 м2 с годовым расходом теплоты 38000 кВт- ч и часовыми
тепловыми потерями 16,59 кВт годовой расход теплоты упадет до 19000 кВт- ч
Стоимость изоляционных работ в этом случае достигнет примерно 18000 запад-
но-германских марок (DM). При среднем к.п.д., равном 75%, годовой расход
жидкого топлива достигнет 2179 л при цене 0,85 DM/л, и за год будет израсхо-
довано 1852 DM. Следовательно, изоляция окупится приблизительно за
n=B/D= 18000/1852=9,72 года. Для нового здания стоимость этой же самой
изоляции составит только 6000 DM, и она окупится уже через п=6000/1852=
= 3,24 года. Данный пример говорит о том, что здания старого жилищного
фонда следует теплоизолировать только при проведении ремонта, в то время
как для новых зданий нужно в обязательном порядке устраивать тепло-
изоляцию.
Экономический анализ показывает [3], что в настоящее время наиболее эф-
фективны для теплоснабжения больших городов ТЭЦ, а при определенных усло-
виях — атомные теплоэлектростанции. Температурный перепад на подающих
магистралях достаточно велик. Поэтому для повышения экономической эффек-
тивности необходимо модернизировать схемы теплоснабжения [4]. На рис. 7.6
показана теплофикационная схема с несколькими теплоснабжающими конту-
рами. Принципиально необходимы один высокотемпературный контур, два
среднетемпературных и два низкотемпературных. Такое подразделение на кон-
туры дает возможность использовать различные отопительные установки и по-
лучить максимальную эффективность теплопередающей сети. Последняя сту-
пень — с тепловым насосом — реальна и возможна благодаря высоким коэффи-
циентам трансформации вследствие больших перепадов между температурами
испарения и конденсации. Нагрев теплоносителя в централи от 10 до 50—70°С
выгоднее осуществлять с помощью тепловых насосов, приводимых в действие
паровыми турбинами с низким давлением, когда в качестве конденсатора
используется теплообменник, связанный с тепловыми насосами (рис. 7.7).
Представленные на рис. 7.6 и 7.7 схемы особенно целесообразно применять
при застройке новых кварталов. Отопительные установки в них могут распола-
268
гаться по температурному интервалу таким образом, что теплопередающая
сеть получит естественное распределение с одной питающей магистралью, от-
дающей свою теплоту от наиболее высокотемпературных установок к средне-
температурным и после этого — к низкотемпературным. Такое распределение
ведет также к меньшим тепловым потерям сети, так как весь ее тепловой потен-
циал оказывается использованным, и вода возвращается с температурой 10°С.
В больших городах солнечную энергию можно использовать с помощью уста-
навливаемых по южным фасадам зданий коллекторов (рис. 7.8) [5]. Коллек-
торы монтируются на балконах, под окнами и на крышах. В областях с умерен-
ным климатом дневная тепловая мощность на 1 м2 площади коллектора состав-
ляет около 4 кВт- ч. Для квартиры на одну семью в здании можно монтировать
стандартный бойлер на 150 л и коллектор площадью 2 м2. В бойлере желательно
иметь электронагревательный элемент мощностью 2 кВт. Для достижения
хорошей циркуляции применяют соединение из труб диаметром 3Д дюйма
между коллектором и бойлером.
Разумеется, когда коллекторы располагаются на крыше, гравитационная
циркуляция воды не может быть достигнута, и необходимо применять насос,
но зато с помощью дренажного сосуда, как показано на рис. 7.9, такие коллек-
торы, легко могут быть опорожнены при отрицательных температурах (когда
существует опасность замерзания). При монтаже коллекторов на балконах для
каждого балкона и каждой квартиры опорожнение должно осуществляться
индивидуально.
7.1.2. Энергоснабжение кварталов с малой плотностью застройки и отдельно
стоящих зданий. В кварталах с малой плотностью застройки экономичное
энергоснабжение обеспечивается использованием нетрадиционных источников
энергии в хорошо изолированных и правильно ориентированных в пространстве
энергоактивных зданиях. Энергия солнца является наиболее универсальной.
В хорошо изолированных зданиях до 50% потребности в теплоте могут удовлет-
воряться за счет солнечного излучения. При использовании дополнительной теп-
лоты от окружающей среды этот показатель может в зависимости от место-
положения здания увеличиться до 90%.
7.1.3. Архитектурные проблемы энергоактивных зданий. В последнее время
архитекторы начали придавать все более серьезное значение художественному
облику зданий, активно и пассивно использующих солнечную энергию. Увели-
чение поверхности южных окон, снабженных жалюзи, ведет к повышению пас-
сивного использования солнечной энергии. При хорошо оформленных остеклен-
ных южных балконах достигается тот же эффект, в известной степени увеличи-
вается жилая площадь, а также появляется возможность для выращивания цве-
тов и растений. На рис. 7.10 показано здание с остекленными балконами — зим-
ними садами, а на рис. 7.11 представлены балконы — зимние сады, которые
могут быть использованы в качестве помещения для приема пищи и отдыха для
семьи, состоящей от двух до шести человек.
Архитектор Герхарт Берндт [9] разработал проект использующего солнеч-
ную энергию здания на одну семью. Здание расположено в Вестерстеде около
Олденбурга. Его постройка завершена в мае 1984 г., проект получил националь-
ную награду ФРГ (рис. 7.12).
Здание расходует для отопления на 50% меньше энергии по сравнению с тра-
диционной системой, а его строительная стоимость лишь незначительно выше.
Это в значительной степени объясняется наличием большого зимнего сада на
южной стороне здания, который в сущности представляет собой солнечный двор.
Выступающая перед остекленным фасадом крыша является хорошей защитой
от высоко поднимающегося летом солнца. Зимой же солнце проникает глубоко
внутрь здания, и солнечные лучи проходят до помещения столовой. Зимний сад
служит своеобразным буфером в зимний и летний периоды и создает благо-
приятный микроклимат в здании.
269
Конденсаторы
Испарители
40
120
Рис. 7.9. Схема центрального тепловодоснаб-
жения от солнечных коллекторов, смонтиро-
ванных на крышах зданий в больших городах
1 — солнечный коллектор; 2, 3 — баки-акку-
муляторы (бойлеры); 4 — насос; 5—7 —
автоматика системы гелиотеплоснабжения;
8 — нагреватель; 9 — двухходовой кран с ав-
томатическим переключением; 10— расшири-
тельный (дренажный) бак
Рис. 7.7. Использование бросовой теплоты
в теплосиловых централях с помощью питае-
мого паром теплового насоса
Рис. 7.8. Расположение солнечных коллекто-
ров по южным фасадам зданий в больших
городах
Рис. 7.10. Здание с остекленными балконами
2x3 =6 м2
1,9 х 3,7 = 7,03 м2
2x^5= 7 м2
2,25 х 3,7 = 8,32м2
Рис. 7. / /. Остекленные балконы — зимние сады
270
Рис. 7.12. Общий вид и разрез здания, построенного по проекту Г. Берндта
Рис. 7.1 И. Здание с солнечными коллекторами Энергетической лаборатории Олденбургского универ-
ситета (общий вид, план и разрезы)
271
Рассмотренные выше здания имеют бетонные стены, полы и потолки, а те из
элементов, которые контактируют с внешним воздухом, изготовляются по типу
сэндвичей — с внутренней изоляцией. Полы и стены, предназначенные для
аккумуляции теплоты, выполнены из плотного бетона и изолированы с внешней
стороны, а их бетонная поверхность обращена внутрь помещений, которые
отапливаются или охлаждаются.
Интерес с научной точки зрения представляет также энергетически автоном-
ное здание Энергетической лаборатории Олденбургского университета [16].
Здание с солнечными коллекторами и коллекторами с кремниевыми ячейками
для превращения солнечного излучения в электрическую энергию показано на
рис. 7.13. Энергетические нужды лаборатории целиком удовлетворяются от
возобновляемых энергоисточников:
энергия ветра превращается посредством энергопреобразователя в электри-
ческую энергию;
кремниевые ячейки превращают солнечное излучение в электрическую энер-
гию (фотоэлектрический генератор);
биомасса преобразуется в спирт или газ для приведения в действие двига-
теля электрогенератора;
солнечные коллекторы вместе с резервуаром-аккумулятором получают сол-
нечную энергию для отопления здания и возможного кондиционирования,
а также для приготовления горячей воды для бытовых нужд.
Проводимые в лаборатории исследования направлены на разработку наибо-
лее экономичных для северных географических широт технологий и систем.
Общая площадь лаборатории равна 500 м2, а основные рабочие площади без
вспомогательных помещений составляют только 250 м2. Тепловые потери при
внешней температуре 0°С равны 5 кВт. Ветродвигатель с двумя лопастями
и диаметром ротора 9,2 м имеет мощность 4,1 кВт. Фотоэлектрический генера-
тор с площадью поверхности 45 м2 дает максимальную мощность 4,3 кВт. При-
водимая в действие двигателем генераторная установка имеет электрическую
мощность 45 кВт. Поверхность солнечных коллекторов с двойным покрытием
равна 90 м2. Емкость свинцовых аккумуляторов с 104 элементами и напряже-
нием от 176 до 200 В составляет 800 А- ч. Объемы трех водяных аккумуляторов
равны соответственно 110, 30 и 5 м3, а электрическая мощность трех тепловых
насосов — 7, 3 и 1 кВт. В южной части двора лаборатории, перед солнечными
коллекторами, выращиваются растения, которые затем используются для полу-
чения энергии.
Выбор двух источников электрической энергии — солнца и ветра — ока-
зался довольно удачным, так как в данной местности ветреная погода чере-
дуется с солнечной.
Благодаря постоянным измерениям притока и расхода энергии лаборатория
сможет получить результаты, обработка которых на ЭВМ позволит в свою оче-
редь получить прогнозные данные для областей с другими географическими
координатами и другим климатом.
7.1.4. Солнечные теплонасосные системы для отопления энергоактивных
зданий. Периодичность солнечного освещения земной поверхности в течение
суток и снижение его интенсивности в зимний период вследствие наклона земной
оси существенно затрудняют использование солнечной энергии для отопления
энергоактивных зданий. Эти затруднения можно преодолеть применением
тепловых насосов.
Простейшая схема отопительной установки с тепловым насосом показана
на рис. 7.14. При ясном небе и интенсивном солнечном освещении коллектор
нагревает водяной резервуар-аккумулятор 14 через теплообменник 13 при функ-
ционировании насосов 3 и 8 и соответствующем положении трехходовых венти-
лей 4—7, которые, как и насосы, управляются автоматически в зависимости от
интенсивности попадающей на коллекторы 1 энергии и уровня температуры
272
в резервуаре-аккумуляторе 14. В зависимости от преобладающих в данной
области температур коллекторный контур установки может быть наполнен
антифризом или, при более мягком климате, просто водой. Когда теплота от
коллекторов не реализуется, насос 3 автоматически включается, и жидкость из
коллекторного контура опорожняется в дренажный сосуд 2.
При более низкой интенсивности солнечного освещения (при средней облач-
ности или пасмурном небе) и только диффузном облучении, а также при более
низких температурах в коллекторном контуре, чем в резервуаре-аккумуляторе
14, трехходовые вентили 4—7 автоматически переключаются так, что жидкость
в коллекторном контуре протекает не через теплообменник 13, а через испари-
тель 10 теплового насоса 12, и в резервуар-аккумулятор 14 поступает более теп-
лая вода из конденсатора 11 теплового насоса. Когда температура поступаю-
щей из конденсатора 11 воды выше, чем температура воды на уровне трехходо-
вого крана 15, последний переключается, и вода поднимается на более высокий
уровень в резервуаре 14.
В момент захода солнца или при понижении температуры в резервуаре 14
тепловой насос 12 переключается на ночной режим работы и посредством
змеевика отбирает теплоту из нижней части резервуара 14, в то время как вода
поступает через трехходовые вентили 16 и 17 в испаритель 10. Одновременно
конденсатор нагревает воду на более высоком уровне. Контур 18 служит для
приготовления горячей воды для бытовых нужд, а контур 19 с вентилем 9 — для
обогрева напольных змеевиков низкотемпературных отопительных установок
в диапазоне температур 45—35° С. В качестве дублера монтируется электриче-
ский нагреватель 20, который может служить и в некоторых экстремальных слу-
чаях. В летний период тепловой насос может работать и как охладитель, если
соответствующим образом переключатся трехходовые вентили 21—26. Тепловой
насос описанной установки работает с переменным коэффициентом трансфор-
мации Ък, равным от 3 до 7,7 в зависимости от внешней температуры и интен-
сивности солнечного облучения.
Подобная установка может содержать два резервуара-аккумулятора. С ее
помощью можно снабжать энергией и более крупные энергоактивные здания.
Кроме того, в летний период ее можно использовать для кондиционирования
здания.
Для областей с более холодным климатом и более низкими и продолжитель-
ными отрицательными температурами в зимний период, когда используется
тепловой насос, целесообразно применять солнечные коллекторы как испари-
тели [17], связанные обменным резервуаром-ресивером, который, в свою оче-
редь, связан с двумя змеевиками Si и S2 (рис. 7.15). При интенсивном солнечном
облучении коллектора 1 пары хладагента поступают в резервуар-ресивер 2 и там
охлаждаются в змеевиках Si и S2, причем первый змеевик S, связан с холодной
водой водопровода и с ответвлением 19 для снабжения горячей водой, а второй
змеевик S2 — с нижней холодной частью резервуаров-аккумуляторов 13—15.
Хладагент охлаждается змеевиками S, и S2 и конденсируется, а затем посред-
ством насоса в трубном контуре снова нагнетается в солнечные коллекторы
для испарения. В течение этого интервала времени первый компрессор без
испарителя не функционирует. Когда пары хладагента не могут конденсиро-
ваться в змеевиках S, и S2, конденсация осуществляется посредством первого
компрессора 10, который охлаждается от испарителя второго компрессора 11,
а его конденсатор обогревает воду в резервуаре 15, к которому подключены
трубопроводы отопительного контура 17 и 18 и контур для снабжения горячей
водой для бытовых нужд посредством змеевика.
Для кондиционирования воздуха при желании применяется испаритель 11
второго компрессора, а теплота от его конденсатора используется для приготов-
ления горячей воды или отводится к обратному охлаждению.
Двигатели компрессоров могут быть газовыми, дизельными или электриче-
273
Рис. 7.14. Упрощенная установка с тепловым насосом для использования солнечной энергии в ка-
честве источника теплоты, позволяющая создать в здании в летний период улучшенный микроклимат
Рис. 7.15. Использование солнечных коллекторов в качестве испарителей теплового насоса на основе
установки, показанной на рис. 7.14
Si, S2 — змеевики-теплообменники; 1 — солнечный коллектор; 2 — резервуар-ресивер; 3 — расши-
рительный (дренажный) бак; 4—7 — автоматика системы гелиотеплоснабжения; 8 — насос; 9 -
двухходовые краны; 10, 11 — компрессоры; 12 — трехходовые краны; 13—15 — резервуары-аккуму-
ляторы; 16 — нагреватель; 17, 18 — прямой и обратный трубопроводы отопительного контура; 19,
20 — прямой и обратный трубопроводы охлаждающего контура
274
скими в зависимости от наличия горючего или электричества и выбираются по
принципу наибольшей рентабельности. Известно, однако, что в тепловых насо-
сах газовые и дизельные двигатели позволяют эффективнее использовать
энергию вследствие регенерирования бросовой теплоты от охлаждающей воды
и газов. С другой стороны, обслуживание таких установок сложнее, а необхо-
димость постоянного снабжения в зимний период горючим иногда вызывает за-
труднения. Кроме того, необходимо учитывать и местонахождение здания,
климат и возможности снабжения во время зимы. Широкое распространение
получили теплонасосные агрегаты, которые путем простого переключения зимой
выполняют отопительную функцию, а летом — охлаждающую.
7.1.5. Заключение. Сегодня человечество стоит перед угрозой исчерпания
традиционных энергоисточников, однако достаточно высокий уровень развития
науки позволяет надеяться на успешное решение этой проблемы.
Энергоактивные здания в зависимости от их географического местонахож-
дения могут нуждаться в отоплении в зимний период. Для стран, бедных иско-
паемыми энергоисточниками, но хорошо электрифицированных, наиболее под-
ходящим устройством являются системы с теплонасосными установками с уче-
том размеров, вида и местонахождения здания. В странах с холодным климатом
солнечные установки дублируются ветряными. Дополнительный источник
энергии — ветер — дает определенное повышение рентабельности, особенно
если эта энергия превращается в теплоту и при этом не требуется использование
дорогостоящих электрических аккумуляторов.
Перед современными архитекторами стоит благородная задача — придать
привлекательный архитектурно-художественный облик энергоактивным зда-
ниям, которые используют экологически чистые нетрадиционные источники
энергии.
Список литературы
I. С. R. Bell, F. Jager. The solar option.— NASA news report 1977 summer, Laxenburg, Austria.
2. K. R. Schreitmuller. Computer berechnet Energieverbrauch des Inst, fur Technische Physyk der
DFVLR. — Z. Sonnen Energie, H.I.S.I3.I984.
3. Heinz Riesenhuber. Rationalle Energieverwendung und erneubare Energiequellen, a Kraftwarme —
kopplung. — Z. Sonnen Energie, H.l, S.17.1984.
4. Велислав Иванов, Емил Малчев. В помощ на топлофикацията на големите градове. — Между-
народен семинар по «Ефективно използуване на енергията и горивата в големите градове», София,
7—II май 1984.
5. Ernst Beinroth. Gestaltungsfragen bei der Anbringung von Sonnenkollektoren. — Z. Sonnen
Energie H.5.S.17.1983.
6. S. A. Klein. Calculation of Monthly Average Insolation on Tilted surfaces, Solar Energy Labora-
tory — University of Wiskonsin — Madison. Madison, Wisconsin 53706.
7. I. A. Duffie, W. A. Beckman. Solar Energy Thermal Processes — 1980.
f8. Chr. Gross, G. Ludwig, A. Schuhn. Der Wintergarten. — Z. Sonnen Energie, H. 1.S.I6.1984.
9. Gerhard W. P. Berndt. DOMUS — ein Serienreifes Solarhaus. — Z. Sonnen Energie, H.3.S.8.1984.
10. Ernst Beinroth. Gestaltungsfragen bei der Anbringung von Sonnenkollektoren. — Z. Sonnen
Energie H.5.S. 18.1983.
11. David Wright. The Suncave House, Successful Solar Energy Solution, Spruille Braden 111 Kathleen
Steiner.
12. H. R. Bucni, S. Buchi. Energiedach — Warmepumpenanlage heizt Mehrfamilienhaus, Z. Sonnen
Energie H.I.S.16.1983.
13. W. D. Potts, Ing. M. Associates, Upton — Multi — Purpose — Center, Successful Solar Energy
Solutions, Sprulle Braden HI Kathleen Steiner.
14. Arch. Environmental Design Collaborative. Philadelphia, Ridley Park Post Office. Successful Solar
Energy Solutions, Spruille Braden 111. Kathllen Steiner.
15. Pierre Robert Sabady. Energie und Sonnenenergie — problematik in der Architektur. — Z. Sonnen
Energie H.I.S.I5 und 16.1983.
275
16. Verfasst von der Arbeitsgruppe «Energielabor» — Universitat Oldenburg. — «Energielabor ohne
Anschluss an die offentliche Energieversorgung.»— Z. Sonnen Energie H.2.S.8.1983.
17. Velislav Ivanov. Solar Assisted Heat Pump Systms for Residential Heating. Dum Techniky CSVTS
Praha. «Vyuziti slunecni energies 1981.
7.2. Пассивные методы использования солнечной энергии
С. В. Зоколей (Австралия)
7.2.1. Основные сведения об использовании энергии в зданиях. Значимость
проблемы солнечного отопления зданий может быть охарактеризована процент-
ным отношением энергии, расходуемой при эксплуатации зданий, к общему
энергопотреблению государства. Проиллюстрируем это на примере шести стран:
Австралия—14; Канада — 31; Франция — 33,5; Западная Германия — 38;
Великобритания — 32,5%.
Таблица 7.1. Потребление энергии
в зданиях учреждений
Способ потребления энергии Доля потребляемой энергии, %
Лондон Аделаида
Отопление и вентиляция:
вентиляторы 9 23
охлаждение 5 23
отопление 62 12
Освещение, приборы 23 35
Лифты I 3
Горячее водоснабжение —* 4
* Включено в раздел «отопление».
Способ потребления энергии Доля потребляемой энергии. %
Лондон Аделаида
Таблица 7.2. Потребление энергии
жилыми помещениями
Отопление и охлаждение 64 35
Горячее водоснабжение 16 30
Кухонные приборы 11 15
Холодильники 2 5
Освещение 3 5
Прочие электроприборы 4 10
По виду использования это «вторич-
ная» энергия. В большей части она постав-
ляется в виде электроэнергии (в Австра-
лии больше половины), а для выработки
1 кВт- ч электроэнергии требуется не ме-
нее 3 кВт- ч первичных энергоресурсов,
например, в виде угля или нефти. Если
учесть этот коэффициент, равный 3, при-
менительно к электроэнергии, используе-
мой в зданиях, то в результате получим
следующую картину использования «пер-
вичной» энергии в зданиях по отношению
к общему национальному энергопотребле-
нию, %: Австралия — 23; Канада — 38;
Франция — 38; Западная Германия —
41; Великобритания 44; США — 39%.
Удельное использование этой энергии
неодинаково для разных типов зданий и
зависит от климатических условий района
строительства. Это можно проследить на
следующих примерах. В табл. 7.1 сравни-
вается использование энергии в много-
этажных зданиях учреждений в Лондоне
и Аделаиде (Южная Австралия), а в табл.
7.2 представлены данные по использова-
нию энергии в типичном доме на одну семью в тех же городах. Из этих таблиц
ясно, что наибольшее количество энергии расходуется на регулирование темпе-
ратуры, т. е. на отопление, охлаждение и вентиляцию.
7.2.2. Потребности в энергии для отопления. Потребности в энергии для
отопления связаны с климатическим параметром — Кельвин-часами. Он опре-
деляется как температурный дефицит в интервалах, температура которых ниже
определенного уровня. Этому соответствуют выделенные штриховкой площади
(рис. 7.16), расположенные подлинней базовой температуры Ть= 18°С, харак-
теризующей оптимальный уровень, и очерченные кривой суточного хода темпе-
ратур. По оси абсцисс отложено время в часах, а по оси ординат разность тем-
ператур в градусах Кельвина.
© S. V.Szokolay, 1987.
276
Число Кельвин-часов легко вычислить, если известен почасовой ход темпе-
ратур, определяемый на_основе месячных данных. Для этого необходимо знать
следующие параметры: То — среднемесячная температура наружного воздуха;
sj — часовая девиация температуры; 7» — базисная температура, обычно рав-
ная 18°С. Отсюда
dTW, - F (7.1)
и
x=dT/sd. (7.2)
Функция вероятностного распределения
= 0,3989 ехр (-х2/2), (7 3)
где 0,3989= 1/д/2л,
графически представлена на рис. 7.17,а.
Участок площади в, ограниченной нисходящей частью кривой распределе-
ния температур, может быть определен интегрированием, но Абрамович и Сте-
гун (1968) предлагают аппроксимацию в виде
6 = ^(0,4368г - 0,12016г2 + 0,93729г3), (7.4)
где /= I / (1+0,33267х) и погрешность меньше 10~5'
Площадь в соответствует той части функции «время — температура», в пре-
делах которой температура выше базовой, в то время как другая ее часть
Ф=1-1© (7.5)
определяет совокупность случаев, когда T0<zTb.
Если То=Ть, то Ф=©=0,5, т.е. в течение 50% времени температура будет
ниже принятой базовой.
На рис. 7.17,6 представлен случай, когда период с температурным дефици-
том наблюдается при То>Ть и d7<0. В этом случае используют абсолютную
величину «х» и, применяя формулу (7.3), получают область значений, показан-
ную на рис. 7.17,6, как площадь Ф=0, температура в пределах которой ниже
базовой. Эту область можно рассчитать в Кельвин-часах (К* ч) по формуле
К -ч = 247V(4>d7’+ sd^), (7.6)
где N — число дней в месяце;
ЛГ-Г,-?; (7.7)
может быть положительной или отрицательной величиной.
Если х<—2, то область Ф=0 будет очень мала, и ею можно пренебречь.
Потребность здания в энергии на отопление характеризуется тепловыми по-
терями q, т. е. тепловым потоком через наружные ограждения здания при раз-
ности температур внутреннего и наружного воздуха 1К, выраженным в Вт/К.
Он состоит из двух компонентов: потерь теплоты, обусловленных теплопровод-
ностью (qc) и потерь теплоты, связанных с вентиляцией (qv), т.е.
q=qc + (lv- (78)
Первую часть определяют из выражения
qc = ^{AU) Вт/К, (7.9)
т. е. как сумму произведения площади А, м2, на коэффициент теплопередачи (7
каждого вида ограждений, стены, окна, крыши или пола, Вт/(м2- К).
Вторую часть теплопотерь qv рассчитывают по формуле
qd =0,33 VN Вт/К, (7.10)
277
где 0,33 Вт- ч/(м3- К) —объемная плотность теплового потока воздуха; V'—объем здания, м‘;
N— кратность воздухообмена в I ч, включая инфильтрацию и принудительную вентиляцию.
Таким образом, потребность в отоплении может быть представлена как про-
изведение строительного q и климатического (К* ч) параметров:
H=qK -4 Вт ч (или кВт-ч) (7.11)
Значение И можно определить для любого отрезка времени (месяц, сезон,
год), если для нее известно число Кельвин-часов.
7.2.3. Системы солнечного отопления. Целью проектирования традиционных
систем отопления является обеспечение полного энергозамещения тепловых
потерь здания в расчетный период, т. е. при наиболее неблагоприятных сочета-
ниях климатических воздействий. При этом наружную температуру 7} прини-
мают обычно не по абсолютному минимальному значению, а с 10 или 15%-ной
обеспеченностью. Если температура внутреннего воздуха То задана, то расчет-
ный температурный перепад будет равен:
Д7’=7} -7’0 (7.12)
и общее количество теряемой теплоты
Q = qbT. (7.13)
В системах солнечного отопления необходимо принимать во внимание их
подразделение на активные и пассивные системы.
Любая система солнечного отопления имеет три основные функции:
поглощение и превращение солнечной радиации в теплоту;
аккумулирование теплоты, поскольку солнечная радиация непостоянна;
распределение теплоты, т. е. подача тепловой энергии в зоны отопления в пе-
риоды, когда это необходимо, и в требуемом количестве.
В пассивных солнечных системах все три функции осуществляются спонтан-
но, путем протекания естественных процессов, без принудительного изменения
энергетических потоков. В пассивных системах могут использоваться различные
трансформируемые элементы: скользящие и сворачиваемые шторы, солнце-
защитные, в том числе теплоизолированные, экраны, регулируемые клапаны,
увлажнители воздуха и т. д. Однако если в системе используется насос или
вентилятор для интенсификации циркулирования теплоты, то такая система
называется смешанной.
В активных солнечных системах все три функции выполняются совершенно
разными средствами, а тепловая энергия передается из зоны поглощения в акку-
мулятор или к потребителю через теплоноситель, например, в виде нагретой
воды в трубах или воздуха в каналах с механическим побуждением (насосами,
вентиляторами), для чего используется внешний источник энергии.
Чаще всего пассивной системой является само здание, а активная система
состоит из технических средств, приданных зданию. Все три категории систем
могут быть количественно охарактеризованы коэффициентом преобразова-
ния энергии
^=ES/Pe- (7-14)
где Es — солнечная энергия, используемая в системе для получения целевого положительного
эффекта; Ес — традиционная, например электрическая энергия, которую необходимо дополнитель-
но подводить для работы насосов, вентиляторов, автоматики и т. д.
Значения КР для различных систем распределяются следующим образом:
пассивная система — Лр>50; смешанная — 50>Кр>20; активная — КР<20.
Ни один вид гелиосистемы не сможет полностью удовлетворять потребности
в отоплении во всех ситуациях, так как нецелесообразно создавать систему
в расчете на самые неблагоприятные условия. Такал система была бы слишком
278
дорогой и не использовалась бы на полную мощность большую часть расчетного
периода (отопительного сезона). Поэтому различные гелиосистемы обычно
используют в сочетании с топливным дублером.
Часть теплоты, поставляемая гелиосистемой и отнесенная к общему энерго-
потреблению здания, может быть определена как солнечная составляющая
SF=ES/(-Es+E<)- <715)
Балкомб (Научная лаборатория в Лос-Аламосе) предложил следующие
соотношения для составляющих солнечного отопления (Shf) и аккумулирова-
ния (Ssf):
Shf — солнечный вклад (нетто)/фактическая нагрузка на систему (нетто) =
= 1 — [дополнительное количество теплоты/фактическая нагрузка на систему
(нетто)];
Ssf — аккумулированная солнечная теплота/расчетная нагрузка системы
отопления=1 — (дополнительное количество теплоты/дополнительное отопле-
ние в бессолнечную погоду).
Здесь «аккумулированная солнечная теплота» определяет долевое снижение
отопительной нагрузки на систему традиционного типа (топливный дублер) за
счет наличия солнечной части энергоснабжения; «расчетная нагрузка системы
отопления» вычислена с использованием заданной расчетной температуры внут-
реннего воздуха, а «фактическая нагрузка на систему (нетто)» — представлена
с учетом колебаний внутренней температуры.
Ниже будут рассмотрены пассивные солнечные системы. Сначала речь пой-
дет о малоэтажных зданиях преимущественно на одну семью, а потом те же
принципы будут применены к многоэтажным зданиям.
7.2.4. Типы пассивных систем. Сводная матрица пассивных систем энерго-
активных зданий представлена на рис. 7.18. В первой колонке даны базовые
системы, во второй — вариантные, а в третьей возможные комбинированные
решения.
Системы с прямым солнечным обогревом. Наиболее существенной частью
таких систем является правильно ориентированный гелиоприемник, например
окно. В большинстве случаев (в северном полушарии) оно должно выходить
на юг (в южном полушарии — на север). Обычное оконное стекло имеет высо-
кое пропускание в спектре солнечной радиации, т. е. для длин волн от 400 до
3000 нм, но оно практически не пропускает инфракрасные лучи с длиной волны
около 10 мкм, испускаемые предметами при нормальной комнатной температуре
(рис. 7.19). Это хорошо известный «парниковый эффект», который положен
в основу большинства систем солнечных коллекторов.
Внутри комнаты должны быть темные, хорошо поглощающие солнечный свет
поверхности, обладающие высокой теплоемкостью для аккумулирования погло-
щенной теплоты. Наиболее часто такой поверхностью является пол. предочти-
тельно из бетонных плит, покрытый темным кафелем или бутовым кафельным
покрытием для поглощения теплоты.
Рис. 7.20 иллюстрирует тепловой баланс в точке у поверхности пола: радиа-
ция нагревает поверхность; часть энергии тут же поступает в комнату путем
излучения или конвекции. Некоторое количество теплоты за счет теплопровод-
ности и теплоемкости поглощается массивной конструкцией, находящейся под
поверхностью; ее температура повышается, и таким образом аккумулируется
теплота. Создается градиент температуры, уменьшающийся книзу. После
прекращения поступления солнечной энергии теплота отдается поверхностью,
а температурный градиент имеет обратный знак до тех пор, пока не будет отдана
вся накопленная теплота и температура не сравняется с температурой комнаты.
Следует обратить внимание на то, что движение потока накопленной теплоты
направлено вниз, а движение потока отдаваемой теплоты — вверх. Во время
поступления солнечной теплоты самая теплая поверхность (абсорбирующая)
279
Рис. 7.16. Пятисуточный ход температуры.
Штриховкой выделены области температур-
ного дефицита TiCTi,
Рис. 7.20. Тепловой баланс плит пола в систе-
ме с прямым облучением, демонстрирующий
дневной и ночной температурные градиенты
Рис. 7.17. Статистическое распределение поча-
совых температур в месячном цикле. Область
0 соответствует значениям Т^Ть (Ть= 18° С),
а область Ф=/ — 0 характеризуется темпе-
ратурами
Рис. 7.21. Принципиальная схема системы
«массивная стена» Тромба-Мишеля
1 — массивная стена; 2 — зачернение; 3 —
остекление
Рис. 7.19. Пропускание одинарного оконного
стекла (пунктирная линия) в спектре солнеч-
ной радиации (6000е С) и теплового излучения
(100е С)
Рис. 7.22. Тепловой баланс системы «массив-
ная стена» без конвекции (а) и с конвек-
цией (б)
280
Основная система
Вариант
Смешанная система
Термосифон Крыши с водяным Водозаполненные Массивные Прямое
аккумулятором стены стены облучение
Окно
Верхний свет
Стена из водозапол- Термодиод
ненных контейнеров
Скайтерм Водоинерционный
потолок
Стены, попеременно запал -
няемые водой, перекачиваемой
насосом
Энергоактивное покрытие
(с насосом')
Водообогредаемый пол
(с насосом)
Аккумулятор с каменной
наброской и воздушным
теплоносителем
Рис. 7.18. Технические решения пассивных систем
281
является также излучателем. Поэтому, пока продолжается поступление солнеч-
ной теплоты, помещение будет очень быстро нагреваться, накопится только не-
большое количество теплоты и скорость последующей теплоотдачи будет быстро
снижаться. Количество накопленной теплоты и продолжительность теплоот-
дачи можно увеличить путем повышения поглощательной способности поверх-
ности пола, теплоемкости аккумулирующей конструкции и теплопроводности
материала, из которого сделан аккумулирующий слой.
В некоторых вариантах пассивных систем на определенном расстоянии от
окна устанавливают низкую перегородку (высотой не более 1 м), которая час-
тично берет на себя роль гелиоприемника и теплового аккумулятора.
В других случаях для улавливания солнечной радиации используют верхний
ряд окон. Теплота поглощается и накапливается противоположной стеной. Это
удобно для обеспечения прямого поступления теплоты во второй ряд комнат,
которые выходят на север (в южном полушарии — на юг). В смешанном ва-
рианте такой системы используется чердак как тепловой коллектор, из которого
теплый воздух поступает вниз с помощью небольшого вентилятора через ка-
налы, опущенные воздухораздаточным концом до уровня пола.
Система «массивная стена». Эту систему часто называют по именам ее созда-
телей стеной Тромба—Мишеля. Обычно это толстая стена (каменная, бетонная
или кирпичная) с темной поглощающей поверхностью, защищенная снаружи
одним или двумя слоями стекла. Около уровня пола и потолка расположены
отверстия (продухи) для входа и выхода воздуха (рис. 7.21). Радиация погло-
щается поверхностью стены, она нагревается и, в свою очередь, нагревает воз-
дух в прослойке между стеной и стеклом. Воздух расширяется, становится легче,
и начинается термосифонная циркуляция, в результате которой теплый воздух
попадает в комнату через верхние продухи и, нагревая комнату, сам охлаж-
дается и через продух около уровня пола снова поступает к гелиоприемнику,
после чего цикл повторяется.
В некоторых вариантах не используют отверстия, в этом случае система
называется «неконвективная массивная стена». Продухи могут быть снабжены
регулируемыми клапанами, так что стена может быть как конвективной, так
и неконвективной. В других вариантах применяют дополнительные продухи на-
верху, выходящие наружу. Летом их открывают для снижения перегрева. На-
правленный вверх поток теплоты в прослойке между стеной и остеклением может
улучшать вентиляцию смежных помещений.
На рис. 7.22 показан температурный баланс в точке поверхности стены. При
конвективном теплоснабжении (рис. 7.22,а) нагретая поверхность передает
часть теплоты движущемуся воздуху, в результате чего снижается температура
самой поверхности. В этом случае происходит очень быстрый обогрев комнаты
теплым воздухом, поступающим через верхние продухи. Небольшое количество
теплоты проникает в толщу стены и аккумулируется. Постепенно, через 5—8 ч,
нагревается внутренняя поверхность стены, благодаря чему комната отапли-
вается и в ночное время, когда давно уже село солнце.
При использовании неконвективного способа отопления (рис. 7.22,6) тем-
пература поглощающей поверхности стены будет намного выше, так как кон-
вективное движение воздуха практически отсутствует, вследствие чего поверх-
ностью стены поглощается и накапливается большое количество теплоты. При
этом обогрев помещений происходит более медленно: весь поток теплоты прохо-
дит через массу стены, и для отопления требуется время.
Следует подчеркнуть, что в отличие от системы с прямым обогревом в систе-
ме «массивная стена» движение потока теплоты в накопитель и теплоотдача из
накопителя идут в одном направлении как один длительный процесс.
Поскольку при применении неконвективного варианта поглощающая по-
верхность достигает более высокой температуры, стоячий воздух в прослойке
между стеной и стеклом тоже будет теплее. Следовательно, возрастет и потеря
282
теплоты наружу через остекление. Общее количество поступившей теплоты
в конвективном варианте будет выше, чем в неконвективном. Большее ее количе-
ство поступает в помещения непосредственно во время облучения солнечной
радиацией. Если же требуется отопление после захода солнца, то лучше исполь-
зовать неконвективный способ.
Летом возможно перегревание при использовании как системы прямого по-
ступления, так и системы «массивная стена». Этого можно избежать, используя
различные затеняющие устройства. Простейшим является матерчатый занавес,
который поднимается, когда требуется отопление, и опускается, чтобы закрыть
остекленную поверхность, когда обогрев не нужен.
Ночная изоляция. Потери теплоты в здании с системой прямого солнечного
обогрева через большие окна или с системой «массивная стена» через остекле-
ние могут быть довольно ощутимыми. Коэффициент теплопередачи U через
однослойное остекление равен 5,6 Вт/(м2- К), при двойном остеклении он сни-
жается до 3 Вт/(м2> К). Если температура воздуха в прослойке между стеной
и стеклом 4-35°С, а температура снаружи —15°С, то количество теряемой в I ч
теплоты составляет при однослойном остеклении 280 Вт/м2, а при двойном
остеклении 150 Вт/м2. Однако двойное остекление снижает также коэффициент
пропускания солнечной радиации, который равен 0,85 для однослойного и 0,72
для двойного остекления. Таким образом, если солнечная радиация, поступаю-
щая к ограждению, составляет 500 Вт/м2, то радиация, достигшая поглощаю-
щей поверхности гелиоприемника, при одинарном остеклении равна 425 Вт/м2,
а при двойном — 360 Вт/м2.
Двойное остекление можно использовать только с учетом климатических
условий. Оно необходимо в местностях с холодным климатом, но не обязательно
в условиях мягкой зимы. В любом случае надо иметь в виду, что снижение сол-
нечного поступления наблюдается только в дневное время, тогда как сокраще-
ние теплопотерь происходит постоянно.
Во время солнечной радиации нужно максимально использовать селективно
прозрачную защиту в виде остекления, но после захода солнца, чтобы сокра-
тить потери теплоты, целесообразно применять для остекленной поверхности
трансформируемую непрозрачную теплоизоляцию.
Предложены и продемонстрированы сотни разных решений [4]. Для системы
прямого солнечного обогрева простейшим является использование тяжелых
штор с плотно закрытым верхним торцом, чтобы перекрыть конвективный поток
теплоты между шторой и стеклом. Очень эффективны наружные ставни, сколь-
зящие или на петлях. Они должны быть хорошо теплоизолированы (по крайней
мере из полистирола толщиной 50 мм или его эквивалента) и быть непроницае-
мыми для воздуха. В одном остроумном решении использован вентилятор от пы-
лесоса для заполнения пространства между двумя слоями стекла маленькими
сферическими гранулами (диаметром около 5 мм) из полистирола. Утром их
высасывают обратно и содержат в контейнере в течение дня. Система очень
эффективна, но недолговечна.
В необычной системе, разработанной в Нью-Мексико (автор Стив Баер),
применены большие складывающиеся ставни. Их внутренняя поверхность от-
делана алюминием, так что когда ставни закрывают стекло, повышается за-
щитный эффект за счет дополнительного отражения излучения от стекла.
Системы с инсолируемым объемом. Наиболее широко используемый вариант
этой системы — оранжерея. Ее можно рассматривать как видоизмененный ва-
риант системы «массивная стена», где обычное расстояние между стеклом и
стеной, равное 100—120 мм, увеличено до 2 м. Это помещение можно исполь-
зовать как оранжерею — для выращивания растений, но оно служит также и
источником теплоты для комнаты, расположенной за ней, за счет либо конвек-
ции, либо замедленной теплопередачи через стену. Действие этой системы очень
похоже на действие системы «массивная стена».
283
Дневная температура в оранжерее может быть очень высокой, а ночью
она падает практически до уровня температуры воздуха снаружи. Такие колеба-
ния температуры можно уменьшить, поместив в ней дополнительный аккумуля-
тор теплоты, например несколько бочек с водой.
Необходимо, чтобы все проемы (вентиляционные продухи или двери) в сте-
не, разделяющей оранжерею и смежные помещения, как следует закрывались.
Если остаются щели, то оранжерея может терять теплоту в течение 24 ч, т. е.
потеря теплоты может быть больше, чем дневное солнечное поступление. Можно
снизить теплопотери оранжереи, используя в ночное время трансформируемые
теплоизоляционные покрытия. Простейшим из них является подвижная штора
с наружной стороны остекления, но существуют и другие виды покрытий, конст-
руктивно близкие к тем, о которых упоминалось выше.
Оранжерея — не единственная форма системы с инсолируемым объемом.
Это могут быть и остекленные крыльцо или веранда, или какой-то смешанный
вариант. Можно установить небольшой вентилятор в стене, разместив его вы-
соко над уровнем пола, что позволит нагнетать теплый воздух из оранжереи
в комнаты. Ответный продух в стене у пола обеспечит циркуляцию и вытесне-
ние холодного воздуха из комнаты в оранжерею.
В некоторых небольших зданиях учреждений в качестве инсолируемого про-
странства используют фойе. Фактически это может быть любое помещение, где
возможны большие температурные колебания, чем в жилых помещениях.
Системы типа «водонаполненная стена». Из всех наиболее распространен-
ных материалов вода имеет самую высокую теплоемкость. Поэтому ее целе-
сообразно использовать в качестве теплоаккумулирующей среды. Чтобы сохра-
нить одинаковое количество теплоты, воды потребуется в 4 раза меньше, чем
бетона. Теплопроводность воды равна 1,16, а бетона — 0,3 Вт- ч/(кг- К), та-
ким образом, они находятся в соотношении 3,87:1. В пересчете на объем это
соотношение меньше, так как плотность бетона больше: для воды 1,16 Вт- ч/
(кг- К) 1000 кг/мл=1160 Вт- ч/(мл- К); для бетона 0,3 Вт- ч/(кг- К)Х
X 2700 кг/м3=810 Вт- ч/(м3- К), откуда их соотношение равно 1,43:1.
Более существенным различием является то, что в твердом теле, даже обла-
дающем высокой теплопроводностью, при поступлении энергии только на одну
его поверхность возникает высокий температурный градиент. При исполь-
зовании воды такой градиент отсутствует, так как конвекция происходит по
всему объему воды, и температура будет практически везде одинаковой. Если
контейнер высокий и узкий, то может возникнуть «расслоение» температуры,
т. е. более теплая вода займет верхнюю часть сосуда (верхний слой), а нижний
слой будет холоднее. Однако между наружным и внутренним слоями воды на
одном уровне практически не будет разницы в температуре. Если аккумулирую-
щей субстанцией является вода, то можно использовать весь ее объем, и макси-
мальная температура будет меньше, а минимальная — больше, чем в системе
«массивная стена».
Вода в различных формах контейнеров часто используется в системах, сход-
ных с описанной выше системой типа «массивная стена». В одном случае
(рис. 7.23) использовались 200-литровые бочки из-под бензина, установленные
на прямоугольной стальной раме. В другом случае (рис. 7.24) были установлены
рифленые стальные трубы диаметром 450 мм (обычно используемые для про-
пуска воды под автодорогами), образующие вертикальные цилиндры высо-
той 4,2 м. В обоих случаях между водными контейнерами были оставлены про-
межутки, пропускающие некоторое количество солнечного света и теплоты не-
посредственно в комнату. В проекте «Соларуолл» (Хобарт, Тасмания, Австра-
лия) в одном из домов была установлена серия вертикальных контейнеров
шестиугольной формы высотой 2,4 м и диаметром около 300 мм, выполненных
из двух спрессованных стальных желобов в форме трапеции, покрытых плас-
тиком.
284
Рис. 7.23. Система «водозаполненная стена». Дом Стива Баера в Коралле (Нью-Мехико)
Рис. 7.24. Система «водозаполненная стена». Охотничий домик в Дэвисе (Калифорния)
285
Термический диод. Его можно рассматривать как вариант системы типа
«водонаполненная стена». Он был изобретен в США около 10 лет назад, но
почему-то не стал популярным, хотя по принципу своего устройства это весьма
эффективная и удобная система.
Термический диод состоит из двух контейнеров с водой, разделенных слоем
теплоизоляции и сообщенных друг с другом только одним трубчатым каналом
вверху и одним внизу (рис. 7.25). Термодиод образует стеновую панель шири-
ной 900 мм, высотой 2,4 м и общей толщиной около 400 мм. Наружная часть
панели такая же тонкая, как гелиоприемник обычного плоского солнечного кол-
лектора. Она может быть покрыта одинарным или двойным остеклением (как
в системе «массивная стена»), но в теплых климатических условиях можно
обойтись без остекления. Если в воду добавить антифриз, то остекление не обя-
зательно и в условиях более холодного климата.
Вода в наружной панели, нагреваясь за счет солнечной радиации,
поднимается вверх и проходит во внутренний контейнер через верхний сообщаю-
щий их канал. Внутренний контейнер имеет толщину примерно 250 мм. Более
холодная вода будет выходить из него в гелиоприемный контейнер через нижний
соединительный канал. Таким образом, здесь происходит термосифонная цир-
куляция.
В электронике диодом называют прибор, который обеспечивает движение
электронов только в одном направлении. Наш прибор носит название «терми-
ческий диод», так как он способствует перемещению теплового потока в одном
направлении — снаружи внутрь. Если не регулировать это перемещение, то
ночью может произойти обратное термосифонное перемещение, а теплота из
воды может выйти наружу. Очень важной частью системы является сверхчувст-
вительный необратимый клапан. Нельзя использовать обычные необратимые
клапаны, так как разность давлений, образующаяся при нагревании воды во
внешней панели, очень мала и недостаточна для открывания такого клапана.
В таких случаях используют «гидравлический клапан», принцип действия ко-
торого показан на рис. 7.25.
В смешанном варианте системы типа «водонаполненная стена» также
используются два контейнера, но они разделены: один из них может быть частью
другой стены. Если другая стена внутренняя, то обе поверхности контейнера
выходят в помещение. Циркуляция воды из «коллекторного» контейнера в «ак-
кумулирующий/ртдающий» контейнер может осуществляться с помощью не-
большого насоса.
Системы типа «водоналивная крыша». В одноэтажных домах, особенно если
они расположены в низинах, поверхностью, наиболее открытой для излучения
(солнечной радиации и теплового излучения в атмосферу), является крыша.
Поэтому логично использовать эту поверхность как для поступления солнечной
теплоты, так и для отдачи избыточной теплоты в ночное небо. Было разработано
несколько вариантов этой системы, но наиболее известна система, установлен-
ная в доме «Скайтерм», построенном в Атаскадеро (Калифорния) в 1973 г.
В этой системе стальной настил покрытия (рис. 7.26) образует потолок над
помещениями здания. Наполненные водой баллоны из зачерненного пластика
расположены поверх металлического настила. Они обеспечивают слой воды
толщиной в среднем 220 мм (при общем объеме воды 24 м3 на площади крыши
105 м2). Для защиты баллонов с водой предусмотрены теплоизолированные
трансформируемые экраны скользящего типа.
Система работает следующим образом. Зимой в дневное время щиты сдви-
нуты к торцу здания и, таким образом, солнце нагревает воду. С заходом солнца
экраны возвращают в исходное положение, чтобы сохранить теплоту. Металли-
ческий потолок выполняет функцию теплового излучателя. Таким образом,
теплота, накопленная в воде, обогревает помещения. Летом экраны в ночное
время сдвинуты к торцу, и вода охлаждается за счет отдачи теплоты в ночное
286
небо. В дневное время экраны закрыты. Металлический потолок обеспечивает
радиационное и конвективное охлаждение помещений.
В одном из вариантов системы, который применим в условиях более возвы-
шенной местности (с более прохладным климатом), где не нужно охлаждение,
в качестве солнечного коллектора используется чердак. Один из скатов выпол-
нен из стекла, одна поверхность чердака остеклена, а горизонтальная конструк-
ция выполнена такой же, как в доме «Скайтерм», т.е. представляет собой метал-
лический настил, покрытый баллонами с водой. На остекленной крыше для
уменьшения теплопотерь можно использовать теплоизолированные ставни.
Разработаны и проверены некоторые другие смешанные варианты. Один
из них очень похож на «термический диод», описанный выше, но он расположен
горизонтально и использует небольшой насос для подачи нагретой воды вниз
из верхней зоны поглощения солнечной энергии в контейнер с водой, располо-
женный на уровне потолка. В другом варианте используется плавающий в кон-
тейнере теплоизолированный экран (рис. 7.27). В нормальном состоянии экран
всплывает вверх, но когда насос начинает работать, на верхнюю поверхность
экрана, нагретую солнцем, подается тонкий слой воды, и щит немного опуска-
ется вниз. Верхний тонкий слой воды нагревается и затем перетекает под изо-
ляцию. Сверху такой коллектор может быть защищен остеклением. В этом
случае верх теплоизолированного экрана должен быть зачернен, но такой экран
может быть и металлическим. Эту систему можно использовать для охлажде-
ния и отопления.
Термосифонные системы. Почти все системы, о которых говорилось выше,
в какой-то мере основаны на термосифонной циркуляции потока (воздуха или
воды), но есть системы, основанные только на такой циркуляции. Они широко
применяются для нагревания воды в домашних условиях с использованием для
этого панелей плоских солнечных коллекторов площадью 3—5 м2. Существенно
важно то, что тепловой аккумулятор должен располагаться выше коллекторов.
В благоприятных климатических условиях (на склонах, обращенных к эква-
тору), возможность применения таких систем для отопления помещений
возрастает.
Практика показывает, что площадь коллектора должна составлять 30—
50% площади пола отапливаемого помещения. Эта система больше, чем система
приготовления горячей воды. Система основана на применении специально изго-
товленных панелей солнечного коллектора (с водяным или воздушным тепло-
носителем), так что она не является истинно «пассивной» системой, но так как
в ней не используются -ни насосы, ни вентиляторы, ни дополнительные источники
энергии, ее все же можно считать пассивной системой.
На рис. 7.18 также показаны система для нагревания воздуха с аккумуля-
тором из каменной наброски и система, совмещенная с системой нагревания
воды, включающей расположенный под полом бак-аккумулятор горячей воды.
Это может быть и смешанной системой, по крайней мере, для цикла распреде-
ления теплоты: маленький насос гонит нагретую воду по трубам, вмонтирован-
ным в полу, согревая его. Преимущество такой системы состоит в том, что
используется довольно низкая температура (около 30°С). Это существенно
повышает эффективность использования солнечных коллекторов.
Регулирование систем потребителем. Многие пассивные системы должны
регулироваться самим потребителем: в определенное время нужно открыть или
закрыть вентиляционные клапаны в системе «массивная стена», закрыть или
открыть теплоизолированные ставни, включить или выключить насосы и венти-
ляторы или просто закрыть затеняющее устройство. При неправильной регули-
ровке системы она не будет должным образом выполнять свои функции. Важ-
на даже такая деталь, как правильная установка термостата топливного дуб-
лера. Установлено, что переключение термостата с 20 на 23°С увеличивает до-
полнительный расход энергии на 54%.
287
Практика показывает, что пассивные системы функционируют лучше в до-
мах, спроектированных и построенных самими владельцами. Такие люди не
только разбираются в работе системы, зная, когда и что сделать, но и заинте-
ресованы в том, чтобы она хорошо работала.
В качестве примера можно привести системы прямого поступления, где
температура внутри помещения утром после начала облучения солнцем превы-
шает уровень комфортности. Компетентный человек примет это как должное,
понимая, что через несколько часов температура станет нормальной. Неиску-
шенный человек откроет окна для охлаждения перегретого помещения, но в ре-
зультате этого вечерняя температура будет ниже уровня комфортности и при-
дется включить дополнительное отопление.
Если обитатель дома не является проектировщиком, то следует снабдить
его инструкцией по пользованию системой. Такие инструкции прилагаются к лю-
бому предмету, который мы покупаем, от холодильника до автомобиля, так
почему бы не выпускать их и для домов?
Конечно, можно автоматизировать все приспособления, чтобы не полагаться
на человека. Можно механизировать и электрически регулировать не только
насосы и вентиляторы, но и увлажнители, ночные ставни, скользящие шторы
и другие трансформирующиеся приспособления. Тогда в совокупности система
регулирования будет сложнее, чем в обычных вариантах отопительных и венти-
ляционных систем. Обычные термостаты для этого не подойдут. В некоторых
случаях можно использовать другие термостаты, в которых к активатору при-
соединены два датчика, обеспечивающие возможность реагирования на раз-
ность температур, а не на установленную температуру. Но можно использовать
и микропроцессоры, тем более, что в настоящее время они достаточно дешевы
и доступны. В этом случае регулирование может быть запрограммировано, и его
легко менять. Датчики здесь не присоединяются к активаторам, а требуемые
параметры закладываются в электронную память. Компьютер может «прини-
мать решения» с учетом предшествовавших условий и в ожидании последующих.
Однако такая усовершенствованная система регулирования может не по-
нравиться людям, которые хотят иметь у себя в доме пассивную солнечную сис-
тему. Представление о пассивной системе (и ее привлекательность для опреде-
ленного типа людей) связано с ее простотой, низким уровнем технологии и бли-
зостью к природе. Люди хотят непосредственно участвовать в жизни системы.
Они могут почувствовать отчуждение при применении автоматизированного и
компьютеризованного регулирования, так как в этом случае они станут лишь
пассивными потребителями, а не участниками.
Автоматизированный контроль может привести к тому, что потребитель ста-
нет менее терпимым к не совсем адекватным температурным условиям и начнет
больше использовать вспомогательную систему, расходуя таким образом
больше энергии. При применении автоматизированной системы регулирования
потребитель будет ждать от пассивной системы таких же результатов, что и от
обычных отопительной и вентиляционной систем. В этом случае роль пассивной
системы сведется к незначительной экономии энергии, а ее возможности не будут
использованы.
7.2.5. Методы прогнозирования. Обычно архитекторы и строители работают
методом «прогрессивного улучшения»: мы смотрим, что было сделано до нас,
что делают наши коллеги, и стараемся сделать немного лучше. Это надежный
и удобный метод, но он исключает новшества, революционные преобразования.
Более того, современная технология предлагает такой широкий выбор возмож-
ностей, что далеко не все из них могут быть использованы в одном конкретном
здании.
Проверить неопробованные методы на реальных зданиях дорого и может
оказаться рискованным. Во времена готики строитель, работающий на своего
феодала, мог себе позволить экспериментировать над падающим контрфорсом
288
Рис. 7.25. Принци-
пиальная схема конст-
рукции стены системы
«термодиод»
I — солнечная радиа-
ция; 2 — внешняя па-
нель солнечного кол-
лектора; 3 - пере-
пускной нефтяной кла-
пан одностороннего
действия; 4 — тепло-
аккумулирующая па-
нель; 5 - - излучение
в помещение
Рис. 7.26. Здание с коллектором системы
«Скайтерм» Г. Гея
а — зимний солнечный день или летняя ночь;
б — зимняя ночь или летний день; / — водоза-
полненные пластиковые пакеты; 2 — сдвигае-
мые теплоизолированные экраны
Рис. 7.27. Система «крыша с водяным акку-
мулятором» с плавающей изоляцией
а — без циркуляции теплоносителя; б - с при-
нудительной циркуляцией
Рис. 7.28. Терморезисторная модель теплового
баланса здания Британской строительной
исследовательской станции
ночь
День
11
Рис. 7.29. Электрическая модель тепловой схемы здания. Программа СОУП (автор Ямагучи)
1 — остекление; 2 — вентиляция; 3 — источник теплоты; 4 — воздух в помещении; 5 — солнце; 6
крыша; 7 — восточная стена; 8— южная стена; 9 - западная стена; 10 — пол; 11 - земля; 12
массивная конструкция пола; 13 — окно; 14 - - делитель; 15 — северная стена; 16 — массивная
стена; 17 — внешняя среда
289
2 или 3 раза. За неудачей следовала новая попытка, и так до тех пор, пока не по-
лучалось. Сегодняшний темп жизни не позволяет проводить такие эксперимен-
ты. Нам нужны методы прогнозирования, которые помогут предсказать еще
на уровне проектирования, как будет действовать система, когда она будет по-
строена.
Такие методы прогнозирования основаны на научном понимании процессов,
в данном случае тепловых процессов в пассивных системах, и на создании мо-
делей, представляющих собой систему, наблюдение за которой поможет опре-
делить функционирование реальной моделируемой системы в разнообразных
условиях.
Методы моделирования. Рассмотрим три основных типа моделей: физиче-
ские модели, электрические аналогии и математические модели.
Физические модели. Для экспериментальных целей используют
масштабно уменьшенные модели объектов. Так, масштабно уменьшенные мо-
дели самолетов испытывают в аэродинамических трубах, при исследованиях
конструкций мостов и высотных зданий часто используют физические модели,
корпуса кораблей испытываются на гидравлических моделях. Основное требо-
вание ко всем этим моделям — автомодельность, т.е. запрограммированное
сходство с оригиналом.
При теплотехническом моделировании одного такого сходства бывает не-
достаточно. Можно смоделировать теплопроводность и вычислить в масштабе
теплоемкость, но соединение их в физической модели представляет собой серьез-
ную проблему. Конвекцию (особенно естественную) нельзя смоделировать
адекватно. Основные трудности связаны с масштабным переводом различных
параметров.
Для проверки пассивных систем широко использовались экспериментальные
здания уменьшенных размеров. Но они не являются моделями больших зда-
ний — они всего лишь малые дома. Цель их использования — понять взаимо-
действие сложных процессов в тепловом потоке. Теплотехнические характери-
стики (такие как теплопроводность, теплопередача и теплоемкость) элементов
здания можно проверить в лаборатории на небольших образцах площадью
1—2 м2. В экспериментальных павильонах изучается взаимодействие многих
одновременно проявляемых процессов.
Результаты, полученные в процессе экспериментов над уменьшенными зда-
ниями, нельзя прямо переносить на большие здания. Их основное назначение —
проверить правильность математических моделей. Если математическая модель
дает положительный результат при проверке на малом объекте, то путем экстра-
полирования эту модель можно распространить на более сложное здание.
Электрические аналогии. Для моделирования тепловых систем
вот уже 40 лет используются схемы, построенные на резисторно-емкостных
аналогиях (рис. 7.28). Электрическое сопротивление аналогично термическому.
Для моделирования теплоемкости элементов здания можно использовать кон-
денсаторы. Напряжение (потенциал) аналогично температуре. Разность потен-
циалов движет ток как же, как разность температур движет поток теплоты.
В различных исследовательских учреждениях занимались моделированием
систем, начиная с самых простых и постепенно усложняя их. При этом получено
много интересных данных, но оказалось, что электрические аналогии не подхо-
дят для ежедневной практики архитектурного проектирования. При каждой
смене какого-либо проектируемого элемента нужно менять всю схему, поэтому
весьма сложно проверить большое число проектных решений.
Электрические аналогии были постепенно вытеснены математическим моде-
лированием на ЭЦВМ.
Математические модели. Цифровые компьютеры обеспечивают
быстрое решение очень сложных задач. Электрические аналогии действуют
только на концептуальном уровне. Можно описать теплотехническую систе-
290
му здания в форме электрической схемы (рис. 7.29) и затем в виде системы
уравнений, получив математическую модель системы. Эту модель можно решить
путем вычислений с помощью ЭЦВМ при любом количестве заложенных в нее
переменных. Методы решения и сами уравнения аналогичны используемым
в электротехнике.
Программы моделирования. При наличии математической модели можно
составить ее программу для компьютера. Программа обеспечивает возможность
варьирования параметров системы и информации о климате и дает ответ на
вопросы о поведении системы в тех или иных условиях. Таким образом, можно
проверить проект до его реализации в натуре.
Такая программа, разработанная в Научной лаборатории в Лос-Аламосе
и основанная на указанных принципах, использует предварительно записанные
ежечасные погодные данные в годичном цикле и прогнозирует поведение сис-
темы через каждый час. Точность и надежность этой системы проверены сна-
чала на экспериментальных павильонах, а потом и на больших зданиях.
Другая математическая модель была использована при разработке про-
граммы Висконсинским университетом для прогнозирования поведения солнеч-
ной системы в различных условиях. Сначала ее применяли только для активных
систем, но затем стали использовать и для некоторых типов пассивных систем.
Однако обе модели предназначены для работы на больших дорогостоящих
компьютерах, подготовка данных для которых занимает много времени. Они
очень полезны при исследованиях, но мало применимы на практике.
Для практического использования существует два хорошо известных метода
проектирования, основанных на двух программах прогнозирования: метод SLR
и «метод недоиспользования».
Технология проектирования (метод SLR). Научная лаборатория в Лос-
Аламосе провела обширные эксперименты по моделированию, используя соб-
ственную программу моделирования, и результаты хорошо коррелировали
с определенными параметрами системы. Наиболее подходящим базовым отрез-
ком времени для таких сопоставлений оказался месяц. Наилучшая корреляция
была обнаружена по безразмерному параметру—коэффициенту солнечного
отопления SLR, который определяется как отношение поглощенной солнечной
энергии к количеству теплоты для отопления здания. Метод, основанный на
измерении этого параметра, получил название «метод SLR».
Если Sa — энергия, поглощенная единицей площади за месяц, А — площадь
проема, облучаемого солнечной радиацией, д' — количество теплоты, теряемой
зданием (исключая площадь оконного проема, облучаемого солнцем), К- ч —
месячная сумма Кельвин-часов, то
SLR =SaA/(K-4q’). (7.16)
Здесь и К- ч — климатические параметры, тогда как А и q' являются харак-
теристиками здания. Таким образом, энергетический параметр здания можно
выразить через их отношение Lcr=<?/A, Вт/(м2- К), тогда
SLR = [5а/(К-ч)]/Тсл. (7.17)
Потери теплоты через площадь поверхности ограждений, облучаемую солн-
цем, и другие системные характеристики будут влиять на SLR, поэтому обозна-
чим измененную величину SLR через х. Для измерения активности системы
используется другой безразмерный коэффициент — составляющая солнечного
накопления Ssr-
Рассмотрим этот метод на рабочем примере. Возьмем обычное здание
(рис. 7.30), в котором выходящее на юг окно (с двойным остеклением) представ-
ляет собой проем для системы прямого солнечного поступления. Определим
значение Ssr на январь. По климатическим данным температурный дефицит
291
А, м2 и, Вт/(м2- К) AU, Вт/К
Стены 2( 12+8) Х2,4—27 м 69 0,8 55,2
Пол 12Х 8 м 96 0,3 28,8
Потолок (крыша) 12X8 м 96 0,6 57,6
Окна (кроме южных) 7 3,2 22,4
<7с = 164,0 Вт/К
<7v=O,33- 96 м2- 2,4- 0,5 = 38,2
я' =202.2 Вт/К
Южное (солнечное) окно 20 3,2 64,0
= 266,2 Вт/К
января равен 12400К- ч (при 18°С),
а средняя дневная солнечная радиа-
ция на южную вертикальную поверх-
ность составляет 4938 Вт- ч/м2.
Предположим, что воздух заменяется
наполовину в течение часа. Опреде-
ление теплопроводности здания и ра-
счет его теплового режима приведены
ниже.
Этап 1. Вычислим теплопотери
здания q', т. е. без учета проема, об-
лучаемого солнцем, затем теплопоте-
ри для всего здания q, пользуясь ме-
тодом, приведенным в п. 7.2.2.
Этап 2. Энергетический коэффициент здания
Lcr =202,2 Вт/К: 20 м2 = 10,11 Вт/(м2К).
Если произведение осредненного коэффициента пропускания окна на коэффи-
циент поглощения поверхности равен 0,74, то количество солнечной радиации,
полученной помещением в январе,
Sa =4938-0,74-31 = 113 278 Вт-ч/м2.
Этап 3. По табл. 7.3 находим значение параметров:
Таблица 7.3. Корреляционные коэффициенты для вычисления параметра S$f
Система а ь с d £ h R
Прямое поступление: 0,6344 0.9887 1,5270 1,4380 2,2708 0,00 0,8632
двойное остекление то же, при ночной изоляции 0,6182 0,9859 1,5660 1,4370 0,5666 0,00 0,8990
Массивная стена (неконвек- тнвная): двойное остекление, мм: 152 0,0 1,0 0,9430 0,4744 0,0 1,09 —9
305 0,0 1,0 1,0189 0,6502 0,0 0,86 —9
одинарное остекление 305 мм 0,0 1,0 0,9974 0,4036 0,0 0,91 —9
то же, при ночной изоляции 0,0 1,0 1,0514 0,6886 0,0 1,01 —9
Массивная стена (конвек- тивная) : двойное остекление, мм: 152 0,0 1,0 0,9558 0,4709 0,0 0,89 -9
305 0,0 1,0 0,9760 0,4519 0.0 0,76 —9
одинарное остекление 305 мм 0,0 1,0 0,9842 0,4418 0,0 0,89 —9
то же, при ночной изоляции 0,0 1,0 1,0346 0,7810 0,0 1,08 — 9
а=0,6344; />=0,9887; с= 1,5270; с/= 1,4380; g=2,2708;/i=0; /?=0,8632;
Л-= 1 + (a!LrK) = 1 + (2,2708/10,11) =1,225; х = (SJKh - hLrKV(LrKK) (7.18)
где LCrS — энергетическая характеристика только «солнечного» окна;
Х= (113 278/124 000) /(10,11 -1,225) =0,735;
если X>R, то F = b - с ехр(— dX),
если X < R, то F = аХ (макс. 1);
так как X<zR, то 0,735<0,8632;
F = 0,6344-0,735 = 0,465; 1 - (1 - F)K= 1 - (1 - 0,465) 1,225 = 0,34.
292
Этап 4. Окончательные данные на январь:
потребность в энергии в чистом виде =202,2 Вт/К- 124 000 К- ч=
=2507 кВт- ч;
дополнительное отопление =2507 кВт- ч (1—0,34) = 1665 кВт- ч.
Примечание. В этапе 3 было использовано 12400 Кельвин-часов при температуре 18°С.
Если нормированная температура воздуха в помещении равна 20° С и внутренний приток теплоты
(от людей, освещения и т. д.) Q,= 532 Вт, то расчетная температура
Tb=Ti - (Q./q) = 20 - (532/266,2) = 18°С. (7Л9)
Поэтому температура 18° С и была взята за основу.
Число Кельвин-часов для других принятых за основу температур дается
в табличной форме для разных районов, но его можно вычислить, если известна
месячная амплитуда колебания температур и среднемесячная температура.
Соотношения солнечной радиации. Метод SLR позволяет определить «погло-
щенную за месяц энергию» по данным о суточном поступлении суммарной сол-
нечной радиации на горизонтальную поверхность (при этом могут быть отличия,
зависящие от типа системы). «Метод недоиспользования», описанный ниже,
основан на обычном аналитическом рассмотрении радиации: разделение сум-
марной радиации на прямую и рассеянную составляющие, затем пересчет дан-
ных на вертикальную (или наклонную) поверхность, при этом обе составляю-
щие рассматриваются отдельно и добавляется отраженная радиация и, наконец,
применение осредненных коэффициентов пропускания и поглощения.
Перед изложением «метода недоиспользования» целесообразно рассмотреть
некоторые расчеты.
Первый этап — нахождение среднего для данного месяца склонения солнца:
Dec = 23,45 sin [ (360/365) (Мду + 284) ], (7.20)
где NDy — порядковый номер дня в году (I—365)
Далее вычисляем Но — внеземную радиацию, поступающую на горизонталь-
ную площадку (вынесенную за пределы атмосферы) в данный день, Вт- ч/
(м2- сут):
Но = 1353 [1 + 0,33 cos (360A^)y/365)](24n)[cosZyl7, cosDec sinSHA +
+ (я/180)5„, sinT, .rsin£Lr ]. (7-21)
где Ьдт — географическая широта; SHa — угол в час заката солнца (считая от полуденного), равный
SHA = arccOS ^^LAT^DEC>
Если Нн, суточная сумма суммарной радиации, поступающей на горизон-
тальную площадку на поверхности земли, дана для любого дня в месяце, то ко-
эффициент пропускания атмосферы К—Нн/Но.
Отсюда можно найти рассеянную часть радиации через эмпирическое выра-
жение: для любого дня месяца:
dt = 1,39- 4,0376+5,53762 3,1 1763 (7.22)
и для данного дня:
dt = 1,0045 + 0,0434976— 3.5227762 + 2,63763. (7.23)
Далее определим отношение радиации, поступающей на вертикальную по-
верхность, к радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, сначала
как среднемесячное значение прямой радиации:
= [cos (Ьд т — 90) cos Dec sin Sgp + (я/180) Ssp sin (Ьд т — 90) x
x sin Dec] I [cos Ьд т cos Dec sin Sea + (я/180) Sea sin LA T sin Dec] •
293
где угол в час заката солнца относительно ориентированной на юг вертикальной
поверхности
SsP = arcos [-tg (La t - 90) tg DEC],
но не больше, чем Sha.
Затем находим суммарную радиацию
Ra = Rb (1 - dt) + 0,5 Л + 0,5 г ef. (7.25)
Те же отношения поступлений радиации к вертикальной и к горизонтальной по-
верхностям в полдень имеют следующий вид.
Для прямой радиации:
Rb = [cos (LaT -90) cos Dec + sin (Д4Г-90) sin DEC]/
/ (cos La t cos DEc + sin La t sin DEq),
для суммарной радиации:
R-n = [1 - Оу / r)dt] Rh + 0,5 Orf / r)dt + 0,5 ref, C7-27)
где rel — отражение от площадки, расположенной перед стеной.
Полуденную радиацию можно определить как часть суточной суммы радиа-
ции. Для суммарной радиации:
Г =rd [1,07 - 0,25 sin (SHA -60) ]; (7.28)
для рассеянной:
rrf = (я/24) ( 1 - cos Sha) / [ sin Sha - О/180) $HA ~ (я/180) Sha cos Sha ] • (7.29)
Метод недоиспользования (система прямого солнечного поступления). Этот
метод был разработан в Висконсинском университете и получил название «мето-
да недоиспользования» (сокращенно метод U—U от английского «un-itilizabi-
lity»). Суть метода заключается в следующем.
1. Если бы здание имело неограниченную теплоемкость, то использовалась
бы вся полученная солнечная энергия и количество необходимой для дополни-
тельного отопления теплоты составило бы разность между общими теплопотеря-
ми и солнечными поступлениями (вычисляется за месяц):
AUXi=L-S, (7.30)
где £=</К • ч (обозначения даны в п. 7.2.2; дополнительное допущение — коэффициент пропуска-
ния окон условно равен 0);
S=HW a ta Aw N, (7.31)
где Hv,—излучение поверхности солнечного окна, Вт • ч/(м2 • сут);Лц?—площадь окна, м2; N —
число дней в месяце; а1и — среднемесячное пропускание окна и поглощение облучаемых поверх-
ностей.
Таким образом,
Fi = 1 - (A UX t I L)=S I L, (7.32)
что представляет собой отношение солнечной энергии, поступившей в здание,
к общим энергозатратам здания.
2. Если бы теплоемкость здания была равна нулю, то при поступлении коли-
чества солнечной теплоты, превышающего необходимое для поддержания уста-
новленной внутренней температуры, эта избыточная теплота пропадала бы,
а если бы солнечной теплоты поступало меньше, чем требуется для поддержания
нужной температуры, то пришлось бы использовать дополнительное отопление
(рис. 7.31). Если D — потери энергии, то требуемое дополнительное отопление
вычисляется по формуле
AUX=L-S+D. (7.33)
294
Существует понятие «критической облученности» /с, при которой солнечная
энегия не пропадает и не требуется дополнительного отопления, т. е. поступаю-
щая солнечная теплота удовлетворяет все потребности:
q (Т{-То)=1са,а AW (7.34)
откуда
Ic = q (Т{-То) I (ata Aw). (7.35)
Введем символ Ф, который обозначает «неиспользованную часть», т. е. долю об-
щего месячного излучения выше определенной интенсивности. Если эта интен-
сивность равна 1С, то количество потерянной за месяц энергии
D = ®S (7.36)
и необходимое дополнительное количество теплоты
AUX2 =L - (1 -Ф) S; (7.37)
солнечная составляющая будет равна
Г2 = 1 - ( AUX2 / L) = (1 -ФИ, (7.38)
3. Дополнительная энергия, необходимая для конкретного здания, находит-
ся в пределах
AUXi <AUX<AUX2 (7.39)
Она зависит от эффективной теплоемкости здания с в Вт- ч/К и допустимого
диапазона колебания температур \Т в К.
Действительная солнечная составляющая находится в пределах
Fl>F>F2. (7.40)
Отношение солнечной теплоты к общему количеству требуемой теплоты (на
базе месячных данных)
X=S/L=(HW ata Aw M)l(qK- ч) (7.41)
есть величина F,, определенная выше.
Отношения аккумулированной теплоты к теплопотерям (на основе дневных
данных) имеет вид:
У= сТ ID=cTl (<bHw ataAw). (7.42)
Солнечную составляющую F можно определить как функцию этих двух отно-
шений из эмпирического уравнения:
F =РХ+ (1 + Р) (3,082 - 3,142 Ф) [ 1 - ехр (-0,3291)], (7.43)
где
Р = [1 -ехр (—0,294 У) ]0-6 5 2. (7.44)
4. Остается только определить неиспользованную часть, осредненную в пре-
делах каждого месяца. Отношение Rn/Ra (см. уравнения 7.25 и 7.27) дает часо-
вое распределение суммарной дневной радиации (рис. 7.32). Введем величину
Rx — отношение критической облученности 1С [см. уравнение (7.35) ] к полуден-
ному значению для любого дня месяца:
Rx ~ Iс I Rjf R/i г> (7-45)
где г определяется по формуле (7.28).
Эмпирическое уравнение дает Ф как функцию двух отношений:
Ф = ехр [а + b (Rn / Ra)l (Rx + cRx2) (7.46)
295
Значения постоянных а, b и с даны в табл. 7.4 как функции К. Эти константы
можно также определить из аналитических уравнений:
а = 2,943 — 9,271/6+4,03 l/f2
b = -4,345 + 8.853/6 - 3,602762
с = -0,170 - 0,306/6 + 2,936/6 2.
(7-47)
Т а б л и ц а 7.4. Значения констант в < юрмуле (7.46)
К а в С
0,3 0,512 —2,007 0.005
0,4 0,100 — 1,389 0,178
0,5 —0,750 —0,785 0,414
0,6 -1.112 -0,389 0,638
0,7 — 1,564 0,115 1,158
Поскольку <7=266,2 Вт/К и а/и=0,74, то
L = 266,2 Вт/К 12 200 К ч = 3300880 Вт ч.
Пример применения U—U метода
системы прямого поступления. Рас-
смотрим тот же пример, что и для ме-
тода SLR. Дополнительные данные:
средняя температура наружного воз-
духа То=—2°С; солнечная радиация
на горизонтальную поверхность
//«=2415 Вт- ч (м2- сут); широта
L 47=42°; теплоемкость здания
с=96- 34=3264 Вт- ч/К; допусти-
мый диапазон колебания температу-
ры ЛГ=5 К.
На 17 января по формуле (7.20) получаем
Dec = 23,45 sin [(360/365) (17 +284)] = -20,92°.
Угол в час захода солнца
S///=arccos [—tg 42 tg (—20,92)] =69,87°.
Из формулы (7.21) имеем:
Но = 1353 [1 + 0,33 cos (360 • 17/365) (24/3,14) [cos 42 cos (-20,92) X
X sin 69,87 + (3,14/180) 69,87sin 42 sin (-20,92) = 3843 Вт ч /(м2 сут) ;
/6= 2415/3843 = 0,63.
Отношение рассеянной радиации в полдень к общей дневной вычисляется по
формуле (7.29):
rd = (3,14/24) (1 - cos 69,87) I [sin 69,87 - (3,14/180) x 69,87 cos 69,87] = 0,17
а отношение суммарной радиации в полдень к общей дневной — по формуле
(7.28):
г =0,17 [1,07 + 0,025 sin (69,87-60)] =0,18.
Отношение прямой радиации в полдень на вертикальную поверхность к прямой
радиации на горизонтальную поверхность определяется формулой (7.26):
Rb = [cos (42 —90) cos (—20,92) + sin (42 — 90) x sin (—20,92) /
/ [cos 42 cos —(20,92) + sin 42 sin (—20,92)] = 1,96.
Так как /(=0,63, часть рассеянной радиации от общей дневной по формуле
(7.23) равна
d t = 1,0045 + 0,4349 - 0,63 - 3,5227 • 0,632 + 2,63 х 0,633 = 0,29
Таким образом, если отражение от примыкающей площадки ге/ = 0,2, то по фор-
муле (7.27)
R„ = [1 - (0,17/0,18) 0,29] 1,96 +0,5 (0,17/0,18)0,29 + 0,5 • 0,2 = 1,66.
296
а по формуле (7.24)
S$p = arccos [—tg (42 — 90) tg (—20,92) = 115,12°.
но так как 115,12>69,87, то SSP=SHA, т. e.
Ssp=69,87°. Отношение поступления суммарной радиации на вертикальную
поверхность к поступлению на горизонтальную поверхность за день равно:
Rb = [cos ( 42 - 90)cos (-20,92) sin 69,87 + (3,14/180) 69,87 sin (42 -90) sin (-20,92) ] /
/ [cos 42 x cos (-20,92) sin 69,87+ (3,14/180) 69,87 sin 42 sin (-20,92)] =2,53.
Из формулы (7.35) имеем:
/с = 266,2 (18+ 12) / (20-0,74) = 360Вт/м2;
Из формулы (7.45)
Rx = 360/(2415-1,66 0,18) =0,50;
а из формулы (7.25)
Ra =2,53 (1 -0,29) +0,5-0,29 +0,5-0,2 = 2,04.
Таким образом,//^=2415- 2,04=4938 Вт- ч/(м2- сут).
По формуле (7.41)
Х = (4938-20-31-0,74) /3300880 = 0,69.
Найдем константы
а = 2,943-9,2171-0,63+4,031 • 0,632 =-1,3;
b = -4,345 + 8,853-0,63 - 3,602 -0,632 = -0,2;
с= -0,17-0,306-0,63+ 2,936-0,632 =0,8.
Таким образом, в соответствии с формулой (7.46)
Ф = ехр [-1,3+ (-0,2 1,66/2,04) (0,5 + 0,8 • 0,52) ] = 0,36.
Далее по формуле (7.42)
У= (3264-5) / (0,36-4938-0,74-20) =0,62.
а по формуле (7.44)
Р=[1- ехр (—0,294-0,62)]0,652 =0,31.
Значение F вычисляем по формуле (7.43):
F= 0,31 • 0,69 + 0,73 (3,082 - 3,142-0,36)[1 -ехр (-0,329-0,69)] =0,50;
AUX = 3300 кВт-ч (1-0,5) = 1650 кВт-ч,
что практически соответствует данным, полученным методом SLR.
Метод U—U для системы типа «массивная стена». Это практически тот же
метод, что и для системы прямого солнечного поступления, с небольшой разни-
цей вследствие различия тепловых процессов. Потери теплоты вычисляются так
же, как в предыдущих примерах: q' для здания, исключая теплопотери солнеч-
ной стены, и q" для солнечной стены. Из рис. 7.33 видно, что для солнечной стены
должны быть известны три вида сопротивления теплопередаче:
а) от поглощающей поверхности через остекление наружу: 7?1=О,27 м2-
• K/Вт для однослойного, 0,40 для двойного и 0,53 для тройного остекления;
следовательно U\ = l/Ri. Если ночная изоляция используется п часов в день, то
среднее значение сопротивления
Ri = 1 - (п/24) Ri + (л/24) (Л, + /?, ), (7.48)
где 7?, — сопротивление ночной изоляции;
297
б) от поглощающей поверхности в комнату:
R2=bl k+l/fi , (7.49)
где Ь — толщина массивной стены, м; К. — теплопроводность материала стены, Вт/(м • К); — ко-
эффициент теплоотдачи от облучаемой поверхности, Вт/(м2 • К), обычно равный 8.1 В/(м2 К),
следовательно, U-2=i/R-2',
в) общее сопротивление теплопередаче энергоактивного ограждения
R"=R2+R2-, 50)
U = 1/R" . v
Тогда месячное значение энергозатрат вычисляется в два этапа:
для здания
L’ = q’ К- ч; (7.51)
для солнечной стены
L" = AU" К- ч. (7.52)
Для определения среднемесячной температуры поглощающей поверхности
стены Т^. можно записать дневной энергетический баланс поверхности в виде
Hw а ta =24 [ fTj {Tw - То) + U2 (Tw -Tj ) ], (7.53)
откуда
TW= {Hwata +24 (U, TO+U2TO]I [24 (Ц +t/2)]. (7.54)
Следовательно, общее количество теплоты, полученное помещением за месяц
Qin=U2A (TW -Ti)24N, (7.55)
где N — число дней в месяце.
Если бы здание имело бесконечно большую массу, то все количество теплоты
Qm было бы полезным, и необходимая дополнительная энергия была бы равна
AUXY = L' — Qin. (7.56)
Для здания с нулевой массой
AUX2=L' -Qin + D, (7.57)
где D — количество теплоты, поступившей в то время, когда она не может быть использована, и,
следовательно, потерянной.
Таким образом, допустимые величины солнечной составляющей равны
Г. = 1 - [AUX. / (L' + L") ] = (L" + Qin) I (L' + L" ) (7.58)
и
F2 = 1 - \AUX2 I (L' + /")] = F2 - [U2 I (Ц + t/2)] Фх, (7.59)
где А' отношение солнечной теплоты к общим теплозатратам, равное
Х= (HwataAK)l(L' + L"), (7.60)
а действительная солнечная составляющая будет ограничена пределами
F}>F>F2. (7.61)
При критической облученности поступление теплоты равно ее потере:
Qin =я'(т^т0),
при этом 0 = 0.
298
С учетом формулы (7.55)
u^=Wcata + uiTo + и2т. /(^-^2)1-л = <?' <*;-л>)> <7-62)
откуда 1С можно выразить в виде
Ic = l/(ataA){q' [U^ + W +UiA}(Ti- То). (7.63)
Величина Ф может быть определена методом, предложенным выше, с учетом вы-
ражений (7.45) и (7.46). Далее необходимо вычислить теплоаккумулирующую
способность здания Z* и солнечной стены Zw:
Zb=ckTbN, (7.64)
где с — эффективная теплоемкость здания; АТЬ— допустимый перепад температур в здании; А7 —
число дней в месяце;
zw = dcpbA &TWN, (7.65)
где d — плотность материала стены, кг/м3; с,, — удельная теплоемкость, Дж/(кг • К); b — толщина
солнечной стены, м; А — площадь солнечной стены, м2; т.е. половина температур-
ного перепада на поверхностях массивной стены.
Среднемесячный поток теплоты при данном значении АГ
Qin = 24 (kjb) A7’vl,247V, (7.66)
таким образом, теплоаккумулирующую способность стены можно выразить
в виде
ZM, = )/2А • 24. (7.67)
Отношение накопленной теплоты к тепловым потерям D,
Y=(Zb +0,047Zw)/D , (7.68)
где D можно найти из выражения
D = \-HWataA + ^) ] ФЛ' (7’69)
Наконец, определим солнечную составляющую
F = pFx + 0,88 (1 - Р) [ 1 - ехр(-1,26/^ ] , (7.70)
где
Р = [1 - ехр(-0.144У)]0-53 . (7.71)
Пример для расчета массивной стены обоими методами. Используем для со-
поставлений методов то же здание, что и в предыдущем примере, изменив лишь
остекление южной стены площадью 20 м2 на двойное и введя неконвективную
массивную стену (толщиной 305 мм) вместо окна, выходящего на юг.
Метод SLR. Имеем те же значения LCR(\0, 11 Вт/м2) и аккумулирован-
ной энергии (113278 Вт- ч/м2), что и раньше. Из табл. 7.3 получаем следующие
значения коэффициентов: 6=1,0; с= 1,0189; r/=0,6502; g=0,0; 6=0,86; R=
— —9. Поскольку g=0, А’= 1, отсюда
* = (Sa/Kh- hLCRs)l(KLCR), (7.72)
гдеLi.r, — энергетическая характеристика только солнечного элемента (южной стены).
В этом случае
VA/A=U и £с„,=3,2 Вт/(м2- К);
Х= [(113 278/12 400) —(0,86- 3,2) ]/10,11 =0,63;
F=e—с ехр(—4х)= 1 — 1,0189 ехр(-0,6502 • 0,63) =0,32;
Ssf= I — (1 — F} К= 1 — (1 —0.32) 1 =0,32;
Л(JA'=2507(I —0,32) = 1696 кВт• ч.
299
Метод U — U. Принимаем исходные данные такие же, как и в предыду-
щем примере, уточнив дополнительные характеристики солнечной стены: тепло-
проводность к= 1,73 Вт/(м• К); теплоемкость dcp=556 Вт- ч/(м3- К); коэф-
фициент теплоотдачи гелиоприемной поверхности /, = 8,1 Вт/(м2- К); тепло-
передачи через двойное остекление t7i=2,5 Вт/(м2- К), откуда /?1 =
=0,4 м2 • К/Вт.
Для солнечной стены:
R-2 = 0,305/1,73+ 1/81=0,3 м2• К/Вт;
(72=3,34 Вт/(м2- К);
Я"=0,3 + 0,4=0,7 м2- К/Вт;
(/"=1,43 Вт/(м2- К);
L' =202,2 Вт/К • 12400 К- ч=2507280 Вт- ч=2507 кВт- ч-
£"=1,43 - 20 м2- 12400 К- ч=354640 В- ч«355 кВт- ч.
По формуле (7.47) вычисляем
7\,= [4938 - 0,74 + 24 (-2 - 2,5 + 3,34- 18) ]/24 (2,5 + 3,34) =35,5“ С,
а по формуле (7.48)
(?,„ = 3,34 - 20(35,5-18)24 - 31=869736 Вт- ч= 870 кВт- ч.
Из выражения (7.63) находим
Л= [1/(0,74 - 20)]{202,2 [(2,5/3,34) + !]+2,5- 2о] (18 + 2) = 545 Вт/м2.
а из формулы (7.45)
/^=545/(2415- 1,66 - 0,18)=0,76.
Значения коэффициентов для вычисления Ф находим, как и раньше:
а = —1,3; (>=—0,2; с=0.8.
Отсюда но формуле (7.46)
ф=ехр( [—1,3+(0,2- 1,66/2,04)] (0,76+0,8- 0,762)} =0,17,
по формуле (7.69)
П=4938 • 0,74 - 20 [3,34/(2,5 + 3,34) ]0,17- 31=220270 Вт- ч«220 кВт-ч.
Далее из выражения (7.58) находим
F1 = (355 +870)/(2507+ 355) = 0,43;
из (7.64)
Zb =3264-5-31 = 505920 Вт-ч = 506 кВт-ч;
из (7.67)
= 870-556-0,3052/(2-1,73-24) =542 кВт-ч;
из (7.68)
У = (506 + 0,047 - 542)/220 = 2,42:
из (7.71)
Р= [1 -ехр(-0,144-2,42) ]°’53 = 0,52;
из (7.70)
+ = 0,52 • 0,43 + 0,88(1 -0,52) [1 -ехр(-1,26-0,43)] = 0,4;
АНХ =(2507 + 355) (1-0,4) = 1717 кВт-ч,
что отличается от результата 1696, полученного методом SLR, примерно на 1%.
Сопоставление двух методов. Из двух рассмотренных нами методов проекти-
рования, основанных на корреляции, метод SLR проще, его можно применять, не
прибегая к помощи компьютеров, если имеются таблицы необходимых коэффи-
300
Рис. 7.30. Малоразмерное здание, на основе
которого выполнены примеры расчета тепло-
вого баланса
Рис. 7.32. Отношение среднемесячных зимних
значений максимальных часовых полуденных
(/?n=/BepT//rop»J U суточных сумм (Ru =
=/^веРт//^гоРиэ? солнечной радиации, посту-
пающих на вертикальную стену южной ориен-
тации и горизонтальное покрытие
Рис. 7.31. Диаграмма теплового баланса не-
массивного здания (площадь Н соответствует
дневной сумме солнечных теплопоступлений
в здание, площадь I) — тепловым потерям
здания)
1 — необходимое дополнительное отопление;
2 — неиспользуемая часть солнечной теплоты
Рис. 7.33. Теплотехническая схема конструк-
ции типа «массивная стена»
Рис. 7.34. Взаимное расположение смежных
зданий при условии незатеняемости коллек
тора. При минимальном расчетном угле па-
дения солнечных лучей 26° требуемое отноше-
ние h/d=0.49, но поскольку h измеряют от
низа коллектора, то размещение последнего на
крыше обеспечивает большую компактность
застройки, чем в варианте с пассивной систе-
мой стены-коллектора
301
циентов. По методу SLR было составлено несколько программ для малых ЭВМ.
Однако этот метод имеет ограниченное применение, так как он пригоден только
для тех типов систем и конструкций, для которых известны и опубликованы раз-
личные корреляционные постоянные.
Изучение влияния различных значений термического сопротивления ночной
изоляции, изменения поглощения солнечной радиации поверхностями, варьиро-
вания массивности здания и других параметров термостатирования этим мето-
дом крайне громоздко.
В «методе недоиспользования» применяются более сложные вычисления. Од-
нако этот метод вполне применим при наличии вычислительной техники, и его
несложно заложить в микрокомпьютеры. В то время как метод SLR основан на
использовании многочисленных таблиц, данный метод в них не нуждается, так
как все необходимые коэффициенты можно определить аналитическим путем.
Метод SLR завоевал большую популярность, возможно в силу своей про-
стоты и широкой известности.
7.2.6. Применение пассивных методов использования солнечной энергии для
многоэтажных зданий. Большинство пассивных зданий, построенных за послед-
ние 10 лет (а их больше 10 тыс.), являются домами для одной семьи, стоящими
отдельно от других построек. В густо заселенных городских центрах при нали-
чии большого числа многоэтажных зданий возникает ряд специфических
проблем.
Первая проблема — это обеспечение оптимальной ориентации коллектора:
в северном полушарии преимущественно на юг (в южном полушарии — на се-
вер). При разработке генплана новых районов следует принимать ориентацию
улиц и зданий исходя из условия обеспечения требуемой солнечной облучен-
ности.
Вторая проблема связана с перезатенением. Много писали о проблеме сво-
бодного «доступа солнца» к энергоактивным зданиям, но пока не существует
простого и единого решения этой проблемы. В городских центрах здания могут
быть слишком затенены даже при правильной ориентации, по крайней мере,
большую часть дня, из-за соседних высотных зданий. Если плоская панель кол-
лектора активной системы расположена на крыше, то нетрудно обеспечить пол-
ный «доступ солнца» (рис. 7.34), но в пассивной системе коллектором (или по-
тенциальным коллектором) является южная стена, снизу доверху. Обеспечение
доступа солнца в точки, находящиеся около уровня земли, требует широкого от-
крытого пространства перед зданием, что далеко не всегда возможно с точки
зрения использования территории в городе.
При более глубоком изучении этой проблемы становится очевидным, что
можно пойти на некоторые уступки, не имея при этом больших потерь солнечной
теплоты. Основная радиация на южную поверхность поступает между 10 и 14 ч,
а та часть, которая поступает до 9 и после 15 ч, не столь значительна. На стерео-
графической диаграмме направления солнечных лучей (рис. 7.35) видно, что
в зимние месяцы «солнечное окно», ориентированное на юг в азимутальном сек-
торе ±45°, обеспечит беспрепятственный доступ солнца с 9 до 15 ч, поэтому
препятствия (другие здания) любой высоты допустимы вне пределов ±45°.
В пределах 45° критическая ситуация возникает в середине зимы, когда солн-
це стоит низко. 23 декабря высота солнца в полдень равна 90° — LAT — 23,5°,
где LAT — географическая широта. Зенитный угол в 10 и 14 ч. будет еще мень-
ше, он также зависит от широты. На рис. 7.36 показано «солнечное окно», в пре-
делах которого не должно быть препятствий для солнечного коллектора (напри-
мер, окно в системе прямого солнечного поступления), а на рис. 7.37 — возмож-
ное взаимное расположение зданий на генплане района, которое удовлетворяет
указанным требованиям.
Все рассмотренные нами пассивные системы энергетически снабжают только
помещения, ориентированные на юг. В одноэтажных зданиях можно использо-
302
Рис. 7.35. И нсолограмма для широты 44° с. ш. (например Ялта). Если «солнечное окно» имеет неза-
теняемый азимутальный сектор ±45° относительно направления на юг. то будет обеспечено беспре-
пятственное облучение с 15 ноября по 28 января (точки «О») с 9 до 15 ч. Высота солнца в полдень
22 декабря равна 22,5° (точка «X»), Если солнечное окно не затеняется внешними объектами в угло-
вом диапазоне 22,5—5= 17,5°, то гарантировано беспрепятственное облучение окна днем в середине
зимы с 9 ч 50 мин до 14 ч 10 мин
Рис. 7.37. Возможное размещение на широте
44" с. ш. трехэтажных зданий размером 24 X
XSX2 л с соблюдением условия незатеняемо-
сти в азимутальном секторе ±45°. Полуден-
ная высота солнца в середине зимы 90—44 —
— 23.5— 22,5°. При этом расчетный незатеняе-
мый зенитный угол составляет 22,5—5= 17,5°.
1р 17.5°—0,32. При высоте дома h—!2 м
0=1'210.32=37.5 м и S=(d-\-u>) (2=
= (37.5±8) (2=22.75 м
Рис. 7.36. Пространственная схема допусти-
мых высот внешних затеняющих объектов не
создающих препятствий для поступления пря-
мой солнечной радиации к «солнечному окну»
303
вать светопроемы в крыше или верхний ряд окон для проникания солнечной ра-
диации в комнаты на северной стороне. В многоэтажных зданиях это невоз-
можно.
Одним из решений проблемы является правильная планировка: расположе-
ние всех жилых комнат на южной стороне, а туалетов, ванных комнат, прачеч-
ных, кладовых, коридоров — на северной, так как они не требуют интенсивного
отопления. Это возможно, но ставит большие ограничения перед архитектором.
Дома могут оказаться слишком вытянутыми с востока на запад и узкими в ме-
ридиональном направлении. Конечно, изобретение механизма, передающего
теплоту, полученную южной стеной, во второй ряд комнат с противоположной
ориентацией решило бы большую часть этих проблем.
Можно, конечно, оставлять открытыми двери, тем самым позволяя свобод-
ному току воздуха сравнивать температуру в первом и втором ряду комнат. Но
это не очень удачное решение, так как при этом всегда будет существовать пере-
пад температур в двух комнатах АГ. Эту величину можно представить как функ-
цию Ldr(отношения общего количества теплоты к проходящему через площадь
двери). Если количество потерь теплоты из комнаты второго ряда равно L, Вт/К.
а площадь двери P^=hw (высотах ширина), то LDR=L/Ad, и
АГ = Л -Т2 ={[Ldr (Т2 - Го)/ 6,35] 2/h} V 3( (7.73)
где 7’| и 7'г — температура в комнате соответственно первого и второго ряда; То — температура на-
ружного воздуха; h - - высота двери, м.
При постоянно открытой двери АГ не может быть больше 1 К, но часто дверь
приходится закрывать по каким-либо причинам (или между двумя комнатами
может вообще не быть двери), так что предпочтительна другая форма передачи
теплоты.
Решение этой проблемы предлагает система Барра—Константина [1]. Это
изобретение итальянских архитекторов показано на рис. 7.38. Пол сделан из пу-
стотелых железобетонных элементов. Закрытые углубления образуют горизон-
тальные воздушные каналы. На южном конце эти углубления соединены с воз-
душными прослойками массивной стены, а на противоположном конце есть ще-
левые отверстия для прохода воздуха во второй ряд комнат. Ответные щелевые
проемы сделаны на уровне пола внизу, этим обеспечивается рециркуляция: во
время воздействия солнечной радиации возникает термосифонный эффект воз-
духообмена между стеной и вторым рядом комнат. Южный фасад такого здания
будет, таким образом, иметь два основных компонента:
окна, дающие практически мгновенный прямой солнечный обогрев (как и ес-
тественное освещение) первому ряду комнат;
остекленные панели массивной стены, дающие мгновенный конвективный
доступ теплоты во второй ряд комнат и замедленный — в первый.
В одном из вариантов этой системы используется гелиоприемник в виде пла-
стины с малой теплоемкостью, размещенной в воздушной прослойке между
остеклением и стеной. Такая пластина обеспечивает конвективную передачу теп-
лоты в воздушный поток с обеих сторон гелиоприемника. Это также создает по-
вышенную передачу теплоты во второй ряд комнат в дневное время, меньшее же
количество теплоты аккумулируется и затем выделяется через некоторое время.
Установлено, что действие этой системы идентично системе прямого солнечного
поступления, использующей ночную изоляцию.
Другим преимуществом системы Барра — Константина является то, что она
поддерживает довольно высокую температуру всей внутренней поверхности зда-
ния (особенно бетонного потолка), таким образом, температура излучения прак-
тически равна температуре воздуха.
Это единственное чисто пассивное решение проблемы, но существует много
других, которые можно считать смешанными. Они основаны на циркуляции по-
тока, движимого маленьким насосом или вентилятором.
304
В заключение можно сказать, что южный фасад многоэтажных зданий обла-
дает очень ценным качеством: на высоких широтах эта поверхность получает
зимой больше солнечной радиации, чем другие. Нужно использовать каждый
квадратный сантиметр этой поверхности. В распоряжении архитектора имеется
широкий круг разнообразных приемов: он может использовать окна для прямого
поступления теплоты (и естественного освещения), может использовать системы
типа «массивная стена» или «водонаполненная стена» для замедленного отопи-
тельного эффекта, а также применять гелиоприемники низкой теплоемкости или
даже плоские коллекторные панели для передачи теплоты во второй ряд комнат.
Выбор этих элементов и их соотношение во многом зависят от назначения
здания. Здания, используемые только днем (школы, учреждения), требуют
мгновенного поступления теплоты и меньшего ее аккумулирования, а жилые
здания наоборот. Рациональное использование этих элементов позволяет обес-
печить 75% отопления путем использования пассивной системы солнечной энер-
гии. Если остается место на фасаде здания, на нем можно установить панели
коллекторов для нагревания воды.
Умелое использование и расположение этих элементов позволяет открыть
новые интересные возможности в архитектуре.
Список литературы
I. Artese G., О. A. Barra, Т. Costantini (1981). The Barra-Costantini passive system. Solar World
Forum, Brighton, U. K., ed.by D. O. Hall and J. Morton. Pergamon Press. London. - vol. 3, p. 1929.
2. Balcomb J. D., R. W. Jones, R. D. Mcfarland, W. O. Wary (1982). Expanding the SLR method.
Passive Solar Journal, vol. 1, No. 2. pp 67—90. Am. Sol. Energy Soc.
3. Passive Solar Design Handbook (1980)
vol. 1: ... design concepis (Total Environment Action)
vol. 2: ... design analysis (J. D. Balcomb)
U.S.Dept, ef Energy, Washington.
4. Shurcliffe W. A. (1980). Thermal Shutters and Shades. Brick House Publishing, Andover, Mass.
5. Szokolay S. V. (1980). World Solar Architecture. Architectural Press, London.
7.3. Биоклиматическая архитектура
Д. Ватсон (США)
7.3.1. Принципы биоклиматического проектирования. Биоклиматически й
подход к проектированию зданий основан на изучении местных климатических
условий. Это позволяет определить архитектурные приемы, обеспечивающие
использование естественной энергии окружающей среды и снижение энерго-
затрат здания. Основная задача, стоящая перед архитектором, заключается
в выборе методов биоклиматического проектирования, а также сочетания этих
методов, наиболее эффективных для условий данной местности.
Рассмотрим малоэтажное здание (рис. 7.39), выделив в нем ограниченное
число составляющих теплообмена между внутренним объемом и внешней сре-
дой. К ним относятся следующие виды передачи тепловой энергии: теплопровод-
ность — от более нагретых поверхностей к менее нагретым путем прямого кон-
такта; конвекция — от воздушного слоя, прилегающего к нагретой поверхности,
путем перемещения теплого воздуха к холодному; излучение — от более нагре-
тых поверхностей к менее нагретым путем прямого распространения электромаг-
нитной энергии в ИК-диапазоне независимо от температуры окружающего воз-
духа; испарение — от нагретой поверхности в окружающий воздух с использо-
ванием эффекта теплоты фазового перехода (тепломассообмен).
© D. Watson, 1987.
305
Биоклиматическое проектирование должно обеспечивать повышенное со-
противление теплопередаче из внутренних помещений наружу и одновременно
предусматривать поступление солнечной энергии в помещения, например, через
окна, выходящие на юг. Летом в условиях избыточных теплопоступлений пре-
следуется противоположная цель — обеспечение повышенной солнцезащиты,
например, путем применения затеняющих устройств, и отвода теплоты из по-
мещений.
Для достижения этих целей используются следующие основные принципы
биоклиматического проектирования, с помощью которых регулируются все
процессы теплообмена в здании.
А. Сведение до минимума теплопередачи (зимой, в некоторых случаях —
летом). Этот принцип осуществляется посредством теплоизоляции. Он эффекти-
вен, когда температура воздуха снаружи существенно отличается в ту или дру-
гую сторону от уровня комфортной температуры внутри здания, обычно опреде-
ляемой диапазоном от 20 до 26,7°С. Летом этот способ можно применять, если
естественного охлаждения недостаточно для достижения уровня комфортности
и необходимо в течение продолжительного периода кондиционирование воздуха.
Б. Обеспечение поступления солнечной энергии (зимой). Зимой можно полу-
чить большое количество теплоты от солнца, используя окна на южной стороне
здания, оранжереи и другие устройства пассивной солнечной системы, предна-
значенные для получения, накопления и передачи солнечной теплоты путем
естественного поступления энергии без применения насосов и вентиляторов.
В. Снижение утечки воздуха (зимой). Зимние ветры увеличивают теплопоте-
ри здания вследствие «вымывания» теплоты через наружные ограждения, а так-
же из-за возрастания потерь путем эксфильтрации. Снизить такое воздействие
ветра можно правильным выбором формы и расположения здания по отношению
к ветру.
Г. Сведение до минимума инфильтрации (зимой). Инфильтрацией называет-
ся поступление воздуха через щели, стыки конструкций, притворы дверей и окон.
Она считается одним из наиболее значительных и трудно устранимых источни-
ков потерь теплоты зданием, даже при применении других теплозащитных мер.
Д. Задержка периодических потоков теплоты в условиях нестационарной
теплопередачи (зимой и летом). В то время, как теплозащитная роль теплоизо-
ляционных материалов понятна и очевидна, далеко не столь очевидна положи-
тельная роль теплоаккумулирующей способности ограждений для улучшения
комфорта и снижения энергозатрат здания. Правильно спроектированные стены
могут, например, задержать дневную теплоту до вечера, а это очень важно для
местности с сухим жарким климатом и большой разницей между дневными и
ночными температурами. Подземные сооружения также строятся с учетом
использования замедленного прохождения потоков теплоты из надземных
построек.
Е. Снижение поступления солнечной энергии (летом). Для обеспечения теп-
лового комфорта летом следует уменьшить возможность перегрева здания путем
экранирования его от солнца или же свести к минимуму поверхности здания,
подвергающиеся непосредственному действию солнечных лучей.
Ж- Обеспечение естественной вентиляции (летом). Охлаждение помещений
без принудительной вентиляции может производиться двумя способами: сквоз-
ным проветриванием и вытяжкой, основанной на принципе термосифона, кото-
рая осуществляется подъемом нагретого воздуха даже при отсутствии ветра.
И. Обеспечение охлаждения испарением (летом). Естественное охлаждение
помещений здания может быть достигнуто испарением влаги в потоке воздуха,
поступающего в помещения, или охлаждением наружных ограждений здания за
счет испарения с их поверхности, например, при орошении кровли. Эти простые
способы наиболее эффективны в условиях сухого жаркого климата.
К. Обеспечение радиационного охлаждения (летом). Здание может хорошо
306
отдавать теплоту, если температура его наружной поверхности выше окружаю-
щей, особенно ночью. Днем температура поверхности здания определяется по-
глощением солнечной теплоты и способностью сохранять ее, что, в свою очередь,
зависит от излучательной способности ограждения.
Статистический анализ данных местного климата позволяет оценить значи-
мость каждого из указанных методов проектирования. Каждая климатическая
область отличается, во-первых, временем, в течение которого эффективно реали-
зуется тот или иной принцип климатического проектирования (в зависимости от
продолжительности и интенсивности теплого и холодного сезонов), и, во-вторых,
наружной температурой, влажностью, ветровыми характеристиками и интен-
сивностью солнечной радиации.
На основе климатических данных можно определить концепции проектиро-
вания, которые отвечают биоклиматическим принципам. Под концепцией проек-
тирования здесь понимается классификация биоклиматических приемов, кото-
рые являются составной частью проектирования. На рис. 7.40 показаны концеп-
ции проектирования, соответствующие биоклиматическим принципам.
7.3.2. Проектирование атриумов. Многие принципы биоклиматического про-
ектирования, описанные выше, применимы в основном для небольших зданий.
Однако их можно учитывать и при проектировании более крупных зданий, имею-
щих атриумы, или «остекленные дворы», используемые для солнечного отопле-
ния, охлаждения, естественного освещения, а также в качестве оранжереи или
зимнего сада.
Атриумная концепция контролируемого регулирования микроклимата ис-
пользовалась на протяжении всей истории архитектуры, в том числе еще в «до-
исторических» постройках, и во всех климатических условиях земного шара.
Преимущества атриумов заключаются в следующем: во-первых, комфорт
в атриумах достигается архитектурными средствами, путем рационального
использования естественных климатических факторов, а также с помощью по-
степенного перехода с улицы во внутренние помещения здания; во-вторых, за-
щитное остекление атриума позволяет экономить энергию, так как при этом
уменьшается или исключается необходимость в дорогостоящем отоплении,
охлаждении или освещении здания.
Микроклимат, создаваемый в атриуме, зависит от ориентации окон или
остекленных ограждений, устройств верхнего света, систем проветривания и
солнцезащиты. Если предполагается использовать атриум в качестве зимнего
сада, то проектирование усложняется из-за особых требований «комфортности»
для растений.
Окончательное решение будет зависеть от задания на проектирование (т. е.
от того, предназначается ли создание атриума только для отопления или для
обеспечения комфорта людей или растений), от санитарных требований к систе-
мам отопления, охлаждения и освещения, а также от климата и типа здания.
Солнечное отопление. Если основной энергетической целью использования
атриума является отопление, то при его проектировании нужно исходить из
следующих четырех принципов.
1. Максимально увеличивать поступление солнечной теплоты в зимнее время,
ориентировать остекленные конструкции атриума (проемы и другие огражде-
ния) преимущественно на юг. По возможности остекление должно быть вер-
тикальным или наклонным, но не меньше, чем на угол, равный географической
широте местности.
2. Для сохранения и распределения лучистой теплоты предусмотреть воз-
можность прямого облучения внутренней каменной стены зимними солнечными
лучами. Нагретая стена будет излучать теплоту во внутреннее помещение.
3. Во избежание излишних потерь теплоты в ночное время применять систему
дополнительной теплозащиты остекления, например подвижные шторы или мно-
гослойное остекление окон.
307
4. Для возвращения поднимающейся вверх теплоты устраивать рецирку-
ляционные каналы, размещая их в верхней части атриума в зоне облучения
солнцем. Теплый воздух из верхней части атриума может быть направлен меха-
ническими средствами либо непосредственно в нижнюю зону атриума, либо
в жилые помещения для отопления и улучшения микроклимата. Избыточная
теплота может быть дистанционно передана посредством теплового насоса
в аккумулятор и храниться в каменной наброске, плитах или воде.
Сам по себе атриум является не очень эффективным коллектором солнечной
энергии, поскольку в нем необходимо нагреть большой объем воздуха. Но среда
обитания в пределах этого объема экологически хорошо приспособлена для
людей, особенно с учетом того, что теплый воздух естественным путем подни-
мается в верхнюю часть атриума. Если атриум окружен постройками и другими
затеняющими его объектами, то лучи зимнего солнца могут проникать только
через отверстие в крыше. Однако, если он не затенен с южной стороны, то отоп-
ление прямыми лучами зимнего солнца становится весьма ощутимым. Если
атриум используется только для циркуляционного перераспределения теплоты,
то обитатели дома в гораздо меньшей степени испытывают температурные коле-
бания, типичные для некондиционируемых помещений зимой.
В условиях прохладного климата атриум, используемый как солнечная ото-
пительная система, требует поступления максимально возможного количества
солнечной теплоты. В этих условиях, сопряженных с повышенной освещен-
ностью, темная отделка поверхностей, на которые падают солнечные лучи, мо-
жет уменьшить блики и увеличить аккумуляцию тепла. На поверхностях, не ос-
вещаемых солнечными лучами, необходима светлая отделка для отражения
света и повышения коэффициента естественной освещенности, особенно в усло-
виях облачного климата. В большинстве случаев остекление должно быть пол-
ностью защищено от летнего солнца. Если остекление выходит на юг, то легко
избежать перегрева, используя горизонтально ориентированные затеняющие
элементы или жалюзи. Для снижения ночных потерь теплоты можно приме-
нять подвижные теплоизоляционные занавеси, по типу оранжерейных штор.
Естественное охлаждение. Атриум в качестве буферной зоны можно исполь-
зовать как для отопления, так и для охлаждения здания. Если атриум, в котором
не предусмотрено кондиционирование, расположен внутри здания, то теплота
поступает в него из более теплых помещений. В различного рода производствен-
ных зданиях с большим внутренним притоком теплоты за счет людей, оборудова-
ния и освещения атриум для поддержания теплового комфорта может нуждать-
ся в охлаждении в течение всего года. Если требуется спроектировать атриум
только для охлаждения, то необходимо исходить из следующих принципов.
1. Обеспечить затенение и свести до минимума проникание летних солнечных
лучей. В зависимости от вида и назначения здания, особенностей местного кли-
мата и обусловленного ими теплового баланса (с учетом наступления темпе-
ратуры наружного воздуха, ниже которой уже необходимо отопление), затеняю-
щие присопсобления можно использовать не только летом, но и до поздней осе-
ни. При этом следет иметь в виду, что если требуется исключить поступление
солнечной радиации, например, с июня по октябрь посредством стационарной
нетрансформируемой системы затенения, последняя будет препятствовать до-
ступу солнечных лучей уже с начала февраля (вследствие симметрии положения
солнца в дни солнцестояния — 21 декабря и 21 июня). Из этого вытекает, что
только трансформируемые затеняющие приспособления являются средством,
применение которого эффективно в сезон избыточных теплопоступлений и не
создает нежелательных помех в другие периоды. В условиях жаркого климата
затенение может требоваться круглый год.
2. Использовать атриум для оптимизации воздухообмена здания. В этом слу-
чае экономится большое количество энергии, но рециркуляция теплоты (рас-
смотренная выше) и вентиляция становятся более эффективными, если естест-
308
венный поток теплоты в атриуме дополняется действием механических систем.
3. Для облегчения естественной вентиляции создать эффект вертикальной
«дымовой трубы», установив вентиляционные отверстия для выхода воздуха
высоко вверху (предпочтительно высоко над крышей), а воздухозаборники —
внизу.
Для повышения эффекта охлаждения воздух, подаваемый в здание, целе-
сообразно забирать из зоны затенения. В условиях сухого жаркого климата
особенно эффективно пропускать поступающий поток воздуха через разбрызги-
ваемую воду, например через струи действующего фонтана. Поскольку летняя
ночная температура ниже дневной, эффективно охлаждение атриума проветри-
ванием в ночное время, при этом «прохлада» аккумулируется в стенах или воде.
При наличии системы вертикальных вентиляционных каналов помещение про-
ветривается даже в безветренную погоду за счет вытеснения нагретого воздуха
более холодным.
Очевидное противоречие между требованием максимального поступления
солнечной теплоты в отопительный период и его минимального поступления
в период, когда необходимо охлаждение, частично может быть автоматически
устранено за счет благоприятной разницы максимальных летних и зимних высот
солнца по отношению к светопрозрачным конструкциям здания. Однако при про-
ектировании приходится идти на некоторый компромисс, выбирая между затене-
нием и дневным освещением.
Идеальным местом для расположения элементов затенения является внеш-
няя сторона остекления, где они могут охлаждаться ветром. В теплых климати-
ческих условиях для предотвращения перегрева только минимальную поверх-
ность остекления можно оставить открытой, при этом остекление следует распо-
ложить так, чтобы было обеспечено эффективное естественное освещение. Теп-
лопоглощающее или отражающее стекло, снижающее поступление солнечной
теплоты, одновременно снижает уровень естественного освещения, а для остек-
ленных конструкций южной ориентации при этом уменьшается полезное поступ-
ление теплоты зимой. В атриумах допускается применение светопрозрачных
элементов с селективными характеристиками, лучше, чем обычное стекло, отве-
чающих условиям жаркого климата. Однако использование радиационного
обогрева через устройства верхнего света может быть причиной дискомфорта
в помещении.
В условиях умеренно-прохладного климата допустимо поступление теплоты
через крышу атриума, если помещение достаточно высокое, тогда теплота соби-
рается выше обитаемой зоны. При этом необходима также хорошая вентиляция.
В условиях жаркого климата атриум лучше делать без кондиционирования, если
он достаточно затенен.
Естественное освещение. Атриум можно использовать для естественного
освещения при любых климатических условиях. Благодаря частичной замене
искусственного освещения на естественное обеспечивается экономия затрат на
электроэнергию. Атриумы позволяют регулировать уровень естественного осве-
щения в здании, уменьшая слишком яркое освещение в помещениях, что также
уменьшает расход электрической энергии на освещение. Расположенный внутри
здания дворик служит для улучшения светового баланса. Атриум, который по-
глощает, отражает, направляет или рассеивает солнечный свет, может стать
весьма приятным средством управления естественным освещением.
При проектировании естественного освещения с использованием атриумов
исходят из следующих принципов.
1. Для обеспечения максимального естественного освещения поперечное
сечение атриума должно быть открытым для всего небосвода, особенно в райо-
нах, где преобладает облачная погода. Там, где преобладает солнечная погода,
геометрия атриума должна базироваться на принципах интенсификации солнеч-
ного освещения или охлаждения.
309
2. Для максимального использования света окно или остекленная крыша
должны быть приспособлены к местным климатическим условиям. Если преобла-
дает облачность и требуется максимальное естественное освещение (как в зим-
нем саду в северных районах), то можно использовать остекление, открытое для
всего небосвода и снабженное трансформируемой солнцезащитой для солнеч-
ной погоды в наиболее жаркий период. Если преобладает солнечная погода, сле-
дует ориентировать остекление в зависимости от потребности в отоплении или
охлаждении.
3. Необходимо обеспечить контроль и регулируемое снижение неблагоприят-
ного воздействия инсоляции посредством ориентации проемов, обработки по-
верхности, выбора цвета и использования затенения или солнцезащитных штор.
При проектировании естественного освещения приходится идти на некоторые
компромиссы из-за изменяющихся погодных условий, поскольку то, что хорошо
при ярком солнце, не подходит для облачности. Солнцезащитные элементы или
жалюзи, например, в облачный день могут создать особенно мрачное затенение.
В условиях облачности свет рассеивается облаками, распространяясь одинаково
во всех направлениях, в результате чего атриум отбрасывает серые тени во все
стороны. По условию преобладающей облачности оптимальным решением явля-
ется устройство остекленной крыши. Однако при этом возможно ослепление
при взгляде наверх. В солнечную погоду такая крыша наименее желательна, так
как через нее будут поступать избыточные количества теплоты и света. Архитек-
тору необходимо искать компромиссные решения. Если облачная погода наблю-
дается не всегда и атриум не требует высокого уровня освещенности, то частич-
но открытая крыша может обеспечить баланс естественного освещения, отопле-
ния и охлаждения. Частично закрытая крыша удобна для управления солнеч-
ным светом с помощью отражающих и затеняющих поверхностей. Поверхность,
освещенная отраженным светом, гораздо более приемлема для человеческого
глаза, чем прямой свет из окна. Другим очень простым средством сглаживания
различий в освещенности является применение штор. Внутри атриума можно
использовать шторы из органического или стеклянного волокна.
Использование указанных выше принципов проектирования для отопления,
охлаждения и естественного освещения определяется типом здания и местным
климатом. В условиях северного климата в жилых помещениях, сгруппирован-
ных вокруг атриума, основным назначением последнего является отопление,
тогда как в южных районах — охлаждение. В больших зданиях важно охлаж-
дение и естественное освещение. В зависимости от местного климата предусмат-
ривают либо открытые поверхности (для районов с облачным, умеренно-про-
хладным климатом), либо закрытые или затененные (для районов с жарким
солнечным климатом). Относительную значимость каждого принципа проекти-
рования можно ориентировочно определить для различных климатических райо-
нов из табл. 7.5.
Садовые атриумы. Растения играют важную роль в буферных зонах. Если
создать нормальные условия для жизни растений, то можно включить в проект
атриума посадку зеленых насаждений, что создает повышенную комфортность
и запас энергии.
В оранжерее, предназначенной для цикличного сбора урожая или непрерыв-
ного круглогодичного роста растений, необходимо поддерживать определенный
микроклимат. В зимнем саду имитируются летние условия для жизни растений
с максимальным использованием зимнего естественного освещения и солнечного
отопления. Растения нуждаются в большом количестве света (около половины
которого они могут получить в солнечный зимний день), но им не требуется мно-
го теплоты. Основной проблемой так называемой солнечной оранжереи является
перегрев ее в солнечный день и недостаток освещения (интенсивности и продол-
жительности) в облачный зимний день.
Если атриум предназначен для выращивания растений или сельскохозяйст-
310
венных культур (с имитацией климата, Т а б л и ц а 7.5.
необходимого ДЛЯ цветения), ТО в облач- Принципы проектирования атриумов
ные дни ему нужна незатененная стеклян-
ная крыша, а в солнечные — затенение
и контроль за отоплением во избежание
перегрева. Если клумбы или грядки отап-
ливаются непосредственно, например, тру-
бами с водой, проложенными в грунте, то
температуры, необходимой для корней,
можно достичь без нагрева воздуха. По-
этому воздух в атриуме может быть про-
хладным для людей, зато в нем не потре-
буется избыточное отопление. Низкая тем-
пература в атриуме имеет и другие пре-
имущества. так как при этом замедляется
процесс испарения, что приводит к эко-
номии воды и энергии. Нормальное разви-
тие растений зависит также от движения
воздуха, которое должно быть равномер-
ным, а не порывистым, как при работе
вентиляторов. Благодаря циркуляции воз-
духа уменьшается слой влаги на листьях
растений и к растениям поступает угле-
кислый газ, необходимый для цикла роста
в течение дня.
7.3.3. Проектирование зимнего сада.
Рассмотрим зинюю оранжерею энергоак-
тивного типа в Нью-Канаанском природ-
ном центре в Коннектикуте (рис. 7.41 и
7.42). Пример иллюстрирует взаимосвязь
параметров энергетически эффективных
атриумов, используемых в виде зимнего
сада, в климатических условиях, характер-
ных для севера США. Предполагалось
максимально использовать естественные
и местные нетрадиционные источники
энергии для уменьшения эксплуатацион-
ных затрат и экономии энергии.
Устройство оранжереи. Оранжерея вы-
полнена с двойным остеклением, в ней
использованы трансформируемые системы
теплоизоляции и солнцезащиты. Теплоизо-
ляционное экранирование, устроенное
прямо под стеклом, обеспечивает снижение
теплопотерь в зимние ночи. Дополнитель-
ная защита выполнена из частично про-
зрачной ткани, которая расположена на
расстоянии 20 см от наклонного стекла и
обеспечивает 50%-ное снижение светового
потока при избыточной инсоляции. Если
в таких условиях закрыть остекление теп-
лоизоляционным экраном, то теплота
выделяется в воздушную прослойку под
тканью.
Принципы
энергетического
проектирования
втрнумов
Климатические условия
хо- лодно/ облач- но про- хлад- но/сол- нечно тепло/ сухо жарко/ влаж- но
Отопление
Для максимально- ++ + ±
го использования
зимней солнечной
теплоты ориентиро-
вать проемы атриу-
ма на юг
Для сохранения и ± + + +
распределения лу-
чистой теплоты рас-
положить внутрен-
нюю стену .так, что-
бы было возможно
непосредственное
облучение солнеч-
ной радиацией
Во избежание по- ++ +
выше иных потерь
теплоты в ночное
время установить
на остеклении теп-
лозащитные шторы
Для возвращения + ++ ±
теплоты из верхней
части атриума, об-
лучаемой солнцем,
предусмотреть ре-
циркуляционные
воздушные каналы
с воздухозаборни-
ками, вынесенными
вверх под крышу
Охлаждение
Для уменьшения + -ф + 4-
поступления сол-
нечной энергии обе-
спечить затенение
от летней инсоля-
ции
Использовать атри- + + + +
ум как воздушный
буфер в системе за-
щиты здания
Для улучшения ес- -ф + + 4-4-
тественной вентиля-
ции создать верти-
кальный «трубный»
эффект с устройст-
вами для входа н
выхода воздуха
311
Продолжение табл. 7.5
Принципы энергетического проектирования атриумов Климатические условии
хо- лодно/ облач- но про- хлад- но/сол- нечно тепло/ сухо жарко/ влаж- но
Освещение
Для получения 4- ±
максимального ес-
тественного осве-
щения использо-
вать складчатые
конструкции (в
районах с преобла-
дающей облач-
ностью)
Для получения 4~ 4- 4- 4~
максимального ес-
тественного осве-
щения проектиро-
вать остекление по-
крытия с учетом
преобладающих
погодных условий,
например, откры-
тое и горизонталь-
ное для районов с
преобладающей об-
лачностью
Обеспечить конт- 4~ 4-4- -|-
роль за солнечным
освещением и за-
тенением
Незащищенное стекло необходимо для
повышения естественной освещенности
растений в облачную погоду, которая
наблюдается в Коннектикуте в среднем
в течение 50% зимнего времени. В солнеч-
ную погоду, даже зимой, в оранжерею по-
ступает избыток света и теплоты. В таких
случаях используют экранирование для
обеспечения необходимого затенения.
Для определения общих потерь и при-
хода теплоты через ограждения здания
были использованы расчетные модели.
В рассматриваемом здании 50% теплоты
теряется через остекление.
Вентиляция. Естественная вентиляция
обеспечивается с помощью открывающих-
ся окон, расположенных вверху и внизу.
Но в летний период иногда одной естест-
венной вентиляции недостаточно, в таких
случаях используется принудительная
вентиляция. Однако даже при вентилиро-
вании температура в оранжерее в летнее
время поднимается выше уровня комфорт-
ности, если наружный воздух имеет более
высокие температуру и влажность, чем
требуется для обеспечения комфорта.
В этом случае необходимо применять
солнцезащитное экранирование.
Подвижность воздуха в оранжерее
Примечание: -|—|—максимальный эф-имеет существенное значение в течение
фект; -)— положительный эффект; + при- всего года. Благодаря движению воздуха
менять по усмотрению. предотвращается увеличение влажности
свыше 80% в воздушном слое около листьев и уменьшается опасность их гние-
ния, осуществляются контроль за перегревом и распределение теплоты по всему
зданию.
Одним из способов регулирования температуры в рабочей зоне является уве-
личение высоты оранжереи, так как наиболее нагретый воздух поднимается
вверх. Далее, помещения на северной стороне здания скомпонованы так, что
воздух по принципу термосифона поднимается вверх под ориентированными на
юг остекленными скатами и опускается вниз вдоль потолка, наклоненного на
север.
«Дестратификация» достигается с помощью трубчатых каналов с воздухо-
заборниками, расположенными в верхней зоне помещения. Трубчатые каналы
сообщены с бетонным резервуаром — аккумулятором теплоты посредством ще-
левых отверстий, расположенных по периметру здания в зоне, находящейся
ниже уровня пола.
Тепло- и влагообмен. При зимней вентиляции необходимо восполнять теп-
лоту и влагу, уносимые вытяжным потоком воздуха. Зимой необходимость в воз-
духообмене определяется требуемым для растений количеством углекислого га-
за. В герметичной оранжерее растения получают СОг в первые несколько часов
солнечного утра. Добавляя к внутреннему потоку воздуха дополнительные дозы
СО2, можно уменьшить потребность в вентиляции до уровня, необходимого для
удаления пыли.
Отопление для растений. Грядки обогреваются тонкими трубчатыми элемен-
тами, расположенными внутри них. Это дает возможность ограничиваться более
312
Рис. 7.38. Здание системы Барра-Констан-
тини, в котором железобетонные элементы
междуэтажных перекрытий используются как
воздушные каналы
Ветер
Растения и вода
Внутренне комнаты
(остекленные оран-
жереи и террасы)
Подвальная часть
Солнечные стены и
окна
Теплозащита
Солнцезащита
Естественная
вентиляция
Зима.
Лето
Рис. 7.40. Задачи биоклиматического проекти-
рования
Рис. 7.39. Энергетический баланс здания
Рис. 7 41 Схема отопления и освещения, ис-
пользованная в Нью-Канаанском природном
центре
1 — оранжерея по южному фасаду здания;
2 — солнечные коллекторы; 3 — теплоаккуму-
лирующие элементы; 4 — потолочные венти-
ляторы; 5 — проветривание чердака; 6 — ре-
гулируемая солнцезащита; 7 — пол на грунте;
8 - корневое отопление на грядках; 9 — уси-
ленное освещение; 10 — использование ком-
поста; // —дровяное отопление с рециркуля-
цией теплоты; 12 — повышенная изоляция
конструкций; 13 — регулируемая теплоза-
щита; 14 - автоматический контроль темпе-
ратуры; 15 энергетически эффективное
освещение; 16 — водораздаточное устройство;
17 — коллектор для сбора воды с крыши;
18 — земляные бермы
313
Рис. 7.42. Зимний сад Нью-Канаанского природного центра
314
низкими температурами, которые сравнительно легко могут быть получены
в солнечных коллекторах при нагревании потока воздуха. Идеальный результат
отопления грядок достигается при создании с помощью лучистого отопления та-
кого микроклимата для растений, при котором необходимый температурный
режим в зоне корней поддерживается без специального нагревания воздуха
над грядкой. Поэтому температура воздуха в оранжерее может быть прохлад-
ной для людей, как упоминалось выше. Применение такого способа отопления
позволит защитить оранжерею от перегрева в солнечные дни, а в дальнейшем —
получить большее количество солнечной теплоты.
Отопление помещений для людей. В оранжерее поддерживается идеальный
для жизни растений прохладный климат, однако люди будут хорошо чувство-
вать себя в ней только в свитерах, особенно в облачные дни и рано утром. В сол-
нечные дни в помещении оранжереи обеспечивается приток теплоты, достаточ-
ный для его обитателей.
Отопление производится путем усиленного освещения лампами мощностью
400 Вт со спектром излучения, благоприятным как для ускорения фотосинтеза,
так и для осуществления лучистого отопления. Основное преимущество такого
решения заключается в том, что отапливаются относительно небольшие объемы
помещения в зоне, где работают люди, и создается добавочное освещение для
растений в дни с повышенной облачностью.
Источник теплоты. При сравнительно низкой температуре, нужной для лу-
чистого отопления, используют расположенный вверху остекленный солнечный
коллектор с жидкостным теплоносителем.
Охлаждение помещения достигается с помощью естественной вентиляции.
При необходимости оно усиливается путем принудительного обдува крыш. Пере-
грев снижается за счет контакта постройки с массивом земли. Если оранжерея
не используется летом, то отпадает необходимость в ее дополнительном
охлаждении.
В то время как основное назначение оранжереи заключается в обеспечении
оптимального микроклимата для растений, второе ее назначение — демонстра-
ционное — заключается в возможности ознакомления с ней путем организации
выставок и различных учебных занятий. Для удобства вся энергосистема зда-
ния изображена на показательном стенде в центре здания. Здесь посетители
могут сами вращать шкалу, показывающую температуру в двенадцати точках
здания (в оранжерее наверху, под полом, в бетонном аккумуляторе, в грядках,
в солнечном коллекторе и т. д.) и изучать температурные режимы, характерные
для различных месяцев года.
7.4. Солнечное отопление и кондиционирование
воздуха в зданиях в США
Р. С. Грилей, Р. П. Оулетт, П. И. Черемисинов (США)
7.4.1. Общие положения. Устройство солнечных энергосистем в жилых домах
поощряется правительством путем выдачи федеральных кредитов. Одной из за-
дач Национального энергетического плана, опубликованного в 1977 г., была
установка к 1985 г. солнечных коллекторов в 1,5 млн. жилых домов. Позже пред-
полагалось, что к 2000 г. доля солнечной энергетики составит 20% общей энер-
гии, выработанной в США. Это означает, что солнечные энергосистемы должны
быть установлены более чем в половине существующих жилых, торговых и ад-
министративных зданий, что вряд ли сможет быть реализовано.
lift 1981 by Ann Arbor Science Publishers, Inc.
315
Выполнение такой программы потребовало бы очень больших затрат, в том
числе капитальных вложений со стороны правительства, промышленности и са-
мих домовладельцев, но все же не разрешило бы энергетического кризиса
в США. Обшая энергия, которую можно было бы получить от установленных
к 2000 г. коллекторов, составила бы около 2- 1015 кДж. Для выработки такого
количества теплоты путем преобразования электроэнергии потребовалось бы из-
расходовать на электростанциях в 3 раза больше топлива с теплотой сгорания
около 6- 1015 кДж. Общая стоимость этих систем превзошла бы 200 млрд, дол.,
из которых за счет федеральных кредитов можно компенсировать только
25 млрд. дол.
Было предложено предоставить домовладельцам дополнительные кредиты
или другие формы федерального финансового стимулирования, которые можно
рассматривать как поощрение за уменьшение загрязнения окружающей среды
при использовании солнечной энергии. Эти субсидии составят от 1 до 3 дол. на
1 млн. кДж и повлекут дополнительные расходы из государственной казны в раз-
мере 3—9 млрд. дол. в год, что должно быть возмещено налогоплательщиками.
Использование солнечной энергии весьма выгодно как с точки зрения защи-
ты окружающей среды, так и экономически. Хотя при производстве, доставке
и монтаже систем солнечного энергоснабжения используется органическое топ-
ливо, что вызывает определенное загрязнение окружающей среды, при эксплуа-
тации системы это загрязнение в значительной степени меньше, чем при исполь-
зовании других видов энергии. По расчетам Министерства энергетики и Агент-
ства по охране окружающей среды в 2000 г. планируется некоторое снижение за-
грязнения окружающей среды в национальном масштабе за счет роста исполь-
зования солнечной энергии.
Экономическую выгоду, получаемую в результате сокращения загрязнения,
определить достаточно трудно. По предварительным подсчетам 1 • 1015 кДж,
полученных за счет использования солнечной энергии, позволит сэкономить
около 10—15 млрд, дол., затрачиваемых на поддержание здоровья людей. Дру-
гой метод подсчета экономического эффекта снижения загрязнения учитывает
уменьшение расходов на контроль загрязнения окружающей среды. Согласно
этому методу, 1- 1015 кДж, полученных за счет солнечной энергии, позволяют
сэкономить примерно 0,5 млрд. дол. Оба метода, хотя они и приблизительные,
убедительно показывают, что выгода от использования солнечной энергии будет
существенной.
Увеличение масштабов использования солнечной энергии обеспечит ряд до-
полнительных преимуществ, в том числе уменьшение зависимости от внешних
источников энергии и увеличение занятости населения. Растущая зависимость
от импорта газа и нефти несет потенциальную опасность. Вслед за эмбарго на
нефть в 1973 г. темп роста производства значительно снизился. Связанные
с этим потери за период с 1974 по 1976 г. составили 377 млн. дол.
Уменьшение использования ископаемых энергетических ресурсов (особен-
но нефти) Соединенными Штатами поможет преодолеть затруднения, связанные
с энергоресурсами, в других странах. Использование солнечной энергии в ком-
мерческих целях в США приведет к распространению «солнечной технологии»
во всем мире за счет экспорта технологии и оборудования. Это в дальнейшем
ослабит напряженность на мировом нефтяном рынке и обеспечит экономические
выгоды странам, экспортирующим «солнечное оборудование». Использование
«солнечной технологии» особенно перспективно для развивающихся стран, где
пока еще не создана централизованная энергетическая инфраструктура.
К сказанному можно добавить, что при использовании солнечной энергии
будет уменьшена угроза загрязнения окружающей среды углекислым газом,
отходами ядерного топлива, промышленными отходами от угольных скрубберов,
а также теплового загрязнения. Увеличение концентрации углекислого газа
в атмосфере может привести к повышенному нагреванию биосферы, что может
316
иметь серьезные глобальные последствия. Применение солнечной энергии вместо
органического топлива приведет к постепенному уменьшению концентрации
углекислого газа в атмосфере.
7.4.2. Федеральная программа солнечного отопления и охлаждения зданий.
Федеральная программа солнечного отопления и охлаждения зданий принята
Конгрессом США в 1975 г. Основные цели программы:
развивать и пропагандировать экономически выгодные, социально обосно-
ванные системы солнечного отопления и охлаждения жилых и коммерческих
зданий;
расширять информацию о применении систем солнечного отопления и охлаж-
дения, которую могли бы использовать строительная индустрия и относящиеся
к ней отрасли экономики, а также представители частного сектора при проекти-
ровании новых зданий;
выявить и оценить возможные экономические, климатические, социальные
и правовые факторы, препятствующие быстрому и широкому применению систем
солнечного отопления и охлаждения;
стимулировать увеличение запросов рынка на системы солнечного отопления
и охлаждения зданий.
Вскоре последовали другие акты, которые усилили роль государства в разви-
тии потребления солнечной энергии. Это Акт об изучении, развитии и демонстра-
ции солнечной энергии, Акт об энергетической реорганизации (1974), Федераль-
ный акт об изучении и развитии неядерной энергии (1974), Организационный
акт Министерства энергетики, Национальный энергетический акт (1978).
Первоначально проводимые правительством мероприятия включали про-
грамму интенсивной пропаганды солнечного отопления и охлаждения жилых и
коммерческих зданий, программу развития компонентов, субсистем и систем,
еще не готовых для коммерческого использования, и программу исследования,
развития и улучшения существующих технологий и разработки новой тех-
нологии.
Другие федеральные мероприятия в поддержку развития систем солнечного
отопления и охлаждения включают разработку проектов зданий, в которых они
будут установлены; оказание поддержки развитию промышленных стандартов
испытания и эксплуатации; изучение аспектов, препятствующих быстрому рас-
пространению применения солнечной энергии; развитие информации, способст-
вующее внедрению солнечной энергетики в практику.
Министерство энергетики и другие федеральные агентства по стимулирова-
нию солнечной энергии значительно превысили выделенные им средства. В США
ассигнованы значительные суммы на исследование и развитие солнечной энер-
гии: 514 млн. дол. в 1979 г., 596 млн. в 1980 г. и 652 млн. в 1981 г. Некоторое со-
кращение бюджетных средств на солнечное отопление и охлаждение зданий
связано с завершением соответствующей программы.
В США затраты на исследования составляют примерно 1,4% валового на-
ционального продукта, или 5% общего федерального бюджета. Затраты на
энергетику в объеме около 5 млрд. дол. составляют примерно 15% всего бюдже-
та на исследования. Бюджет солнечной энергетики составляет 13% расходов на
энергетику в целом. Хотя бюджет на развитие солнечной энергетики Министер-
ства энергетики является наибольшим, некоторые другие правительственные
агентства также предоставляют дополнительные фонды, так что весь «солнеч-
ный» бюджет в 1981 финансовом году превысил 1 млрд. дол.
В государственном масштабе солнечная программа в той или иной степени
коснется каждого. В исследованиях, пропаганде, обмене информацией, разра-
ботке стандартов и контроле за выполнением программы участвуют более две-
надцати агентств.
Основная часть Федеральной программы солнечного отопления и охлажде-
ния была выполнена в 1979 г. В том же году были завершены жилищная демон-
317
страционная программа Министерства жилищного строительства и городского
развития и Коммерческая демонстрационная программа Министерства энер-
гетики.
7.4.3. Программа Министерства жилищного строительства и городского раз-
вития по пропаганде применения солнечной энергии в жилых зданиях. В настоя-
щее время на основании законов, принятых Конгрессом США, осуществляется
основная программа по пропаганде солнечной энергетики. Общее руководство
исследовательскими программами по энергетике возложено правительством на
Министерство энергетики. Программа пропаганды практического применения
солнечной энергии для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения жи-
лых зданий курируется Министерством жилищного строительства и городского
развития.
Целью этой программы является обеспечение спроса на системы солнечного
отопления и охлаждения. Работникам строительной индустрии и людям, связан-
ным с ней (покупателям домов, арендаторам, подрядчикам, промышленникам,
архитекторам, кредиторам и т. д.) разъясняются особенности солнечных систем,
чтобы научить их относиться к этим системам так же, как и к любым другим си-
стемам отопления и вентиляции.
Министерство жилищного строительства и городского развития проводит
следующие мероприятия по внедрению программы солнечного отопления и
охлаждения:
демонстрация новых и существующих жилых помещений, в которых установ-
лено солнечное оборудование; она состоит из пяти бесплатных демонстрацион-
ных циклов, включающих смешанные проекты для разных географических и кли-
матических районов. Бесплатные циклы проводились каждые 9—12 месяцев до
1980 г.;
развитие стандартов на показатели солнечного оборудования, которые будут
использоваться промышленниками, продавцами, покупателями и правительст-
венными органами для сравнения систем;
развитие рынка для быстрого и широкого внедрения «солнечной технологии»
в жилищном строительстве;
распространение информации о полученных результатах.
Жилищная демонстрационная (агитационная) программа осуществляется
путем выдачи субсидий, равных разнице стоимостей солнечной и обычной си-
стем. При этом дома продаются непосредственно на открытом рынке. Субсидии
на квартиры в многоэтажных жилых дома предоставляются, если средства,
сэкономленные на коммунальных услугах, распределены равномерно между
квартиросъемщиками. Министерство жилищного строительства и городского
развития должно одобрить проект, но строительство не начинается до выдачи
субсидии. Для получения необходимой информации следует обращаться в На-
циональный информационный центр солнечного отопления и охлаждения.
Для осуществления проектов производятся периодические запросы на вы-
дачу субсидий, о чем объявляется в специальной печати и рассыльном списке
Министерства энергетики. Запрос должен содержать информацию по техни-
ческим аспектам солнечной энергосистемы, состоянию проекта и вопросам его
финансирования как части демонстрационной программы.
К началу 1980 г. было завершено уже четыре демонстрационных цикла и
заканчивался последний пятый цикл. Первый цикл запросов на выдачу субсидий
был объявлен в сентябре 1975 г., и к ноябрю 1975 г. было получено около 250 за-
просов, 67 из которых были удовлетворены. Второй цикл был объявлен в июле
1976 г., к 1 сентября было получено 300 запросов, 106 из которых удовлетворе-
ны. Третий цикл был объявлен в январе 1977 г., к 28 марта получено 700 запро-
сов, удовлетворено 169. Четвертый цикл объявлен в начале 1978 г., и к ноябрю
получено 525 запросов. В мае 1978 г. был объявлен дополнительный цикл 4А для
пассивных солнечных систем и получено 455 запросов. В результате обеих частей
318
цикла принято 144 запроса, предусматривающих строительство 239 домов для
одной семьи и 6612 — для нескольких. Пятый цикл нацелен в основном на пас-
сивные системы.
В настоящее время демонстрационных программ больше не планируется.
Однако, если Конгресс одобрит создание «солнечного банка», то можно будет
провести еще одну программу. Цель «солнечного банка» — выдача небольших
займов домовладельцам для покупки солнечных систем.
Общее количество субсидий превысило 20 млн. дол. на 11450 жилых домов и
квартир. На рис. 7.43 показано распределение субсидий четвертого цикла.
Начальный план демонстрационной программы предусматривал комплекс-
ный подход к типам домов, солнечным системам и климатическим зонам, чтобы
в этой программе присутствовали все возможные комбинации факторов. Пятый
цикл начался в 1980 г. Владельцы домов, которые планируют оборудовать свои
дома солнечными системами, должны ознакомиться с одним или несколькими
демонстрационными зданиями.
7.4.4. Проектирование пассивных систем. В середине 1978 г. Министерство
жилищного строительства и городского развития организовало конкурс пассив-
ных систем солнечного энергоснабжения жилых зданий. Было представлено
более 550 проектов, из которых принято 162, причем 145 для вновь строящихся
и 17 — для существующих зданий.
Рассмотрев 162 принятых проекта и 388 других проектов, предложенных на
конкурс, специалисты Франклинского исследовательского центра и Отдела
исследований Министерства жилищного строительства и городского развития
предложили, чтобы домовладельцы, архитекторы и строители учитывали при вы-
боре пассивной системы для применения во вновь строящихся или существую-
щих домах четыре фактора.
1. Планировка здания, участок, строительные правила. Участок (площадка)
не влияет на тип солнечного дома, но определяет расположение его конструктив-
ных элементов, которые играют роль коллекторов. Если в качестве коллектора
используются окна в стенах зданий, они должны быть расположены так, чтобы
соседние здания или растительность не затеняли их зимой. Если используются
проемы в покрытии, расположение дома может быть любым, но при этом следу-
ет учитывать необходимость затенения проемов летом и устранение затене-
ния зимой.
2. Климат. Дома с системой прямого поступления солнечного излучения
создают проблемы в двух климатических ситуациях. В условиях очень холодного
климата открытые остекленные проемы, предназначенные для поступления солн-
ца, могут привести к повышенным потерям теплоты ночью и в облачную погоду.
В плохо спроектированном доме бывает так, что количество солнечной теплоты,
полученной всем домом, меньше количества теплоты, потерянной одной комна-
той через окна. Потери можно снизить за счет двойного или тройного остекления
и подвижной теплоизоляции, которая необходима для успешного применения
системы прямого поступления солнечного излучения в холодных климатических
условиях.
Подобные же проблемы возникают при использовании системы прямого по-
ступления в условиях очень жаркого климата. Помимо того, что при этом на-
блюдается ослепление, поступление слишком большого количества теплоты, ко-
торое проникает даже через затенение, затрудняет процесс охлаждения. Чтобы
избежать этого, необходимо применять двойное или тройное остекление и под-
вижную изоляцию, защищающую от перегрева. В домах, находящихся в зонах
облачного климата, система прямого поступления позволяет использовать лишь
небольшое количество солнечной энергии для возмещения дневной потери теп-
лоты зданием.
Следовательно, хотя системы прямого поступления солнечного излучения
можно использовать в любых климатических условиях, местностях и типах зда-
319
ний, с ними нужно быть осторожными в условиях очень холодного или жаркого
климата.
Системы непрямого поступления солнечных лучей, происходящего вследст-
вие нагрева каменных стен или кровельных и стеновых панелей, заполненных
водой, могут использоваться в любых климатических условиях континенталь-
ной части США. Однако в условиях больших температурных колебаний днем и
ночью лучше использовать простые системы с излучением от стен или массы
воды, тогда как в других климатических условиях будут эффективны более
сложные системы конвективных и излучающих стен. В домах, где необходимо
отопление днем и ночью, нужно установить дополнительный коллектор прямого
поступления для обеспечения быстрого нагревания комнаты рано утром; мож-
но также использовать вентиляторы и увлажнители для мгновенной передачи
теплоты от стены. В условиях более мягкого климата, где есть тенденция к пере-
греванию в весенние, осенние и даже зимние дни, нужно установить наружные и
внутренние вентиляторы для распределения полученной теплоты. Системы не-
прямого поступления, равно как и прямого, в холодных климатических условиях
часто функционируют лучше, если аккумулятор солнечной теплоты защищен от
потерь в ночное время и в облачную погоду, что требует дополнительных затрат
труда и расходов.
Солярии и изолированные дома, куда поступают прямые солнечные лучи,
представляют собой комфортабельные источники теплоты. Однако в условиях
жаркого и влажного климата «оранжерейные» помещения для пассивного сол-
нечного отопления (атриумы) могут иметь некоторые недостатки. Дополнитель-
ная влажность от оранжереи в условиях влажного климата может сделать сол-
нечный дом неудобным. В общем, помещение солярия, не предназначенное для
постоянного пользования, может обеспечить отопление дома в любых климати-
ческих условиях, если оно полностью изолировано от дома или связано с домом
и снабжено аккумулятором теплоты, а также если оно используется в тех случа-
ях, когда при прямом поступлении солнечных лучей наблюдается приемлемая
температура. Солярии, предназначенные для постоянного пользования, пред-
ставляют собой системы прямого поступления. В условиях очень холодного кли-
мата им потребуется достаточная масса для аккумуляции теплоты и изоляции
остекленной поверхности.
Поскольку климатические условия обычно не являются только холодными
или жаркими, в большинстве домов с пассивной системой сочетаются преиму-
щества систем прямого и непрямого поступления солнечных лучей и солярия.
3. Цена. При выборе между системами прямого и непрямого поступления
солнечного излучения и солярием нужно учитывать стоимость проекта или из-
менений в проекте, стоимость и доступность материалов и местные методы
строительства. Обычно наиболее приемлемы по стоимости более простые систе-
мы, а также системы, в которых можно что-то изменить и добавить (отопление
одной комнаты из двух).
4. Образ жизни. Образ жизни и индивидуальный вкус покупателей являются
окончательными критериями при выборе пассивной солнечной системы для
дома. Гибкость и заинтересованность покупателей очень важны для эффектив-
ного использования в здании солнечной энергии.
В домах с системой прямого поступления солнечных лучей нужно предусмот-
реть несколько возможных вариантов образа жизни. Для получения достаточно-
го количества теплоты за день с тем, чтобы его хватило на всю ночь (или даже на
последующий облачный день), температура в комнате должна подняться очень
высоко и зарядить аккумуляторы. Как только солнце сядет, температура в ком-
нате начнет падать, а комфорт будет обеспечиваться за счет аккумулированной
теплоты, даже если температура в соседних комнатах гораздо ниже. В домах
с системой прямого поступления температура колеблется между 30 и 15°С. Для
320
владельцев, которые проводят весь день на работе и приходят домой только ве-
чером, это не представляет большого неудобства.
Условия в системах с непрямым поступлением теплоты — через нагретые
каменные стены или стены с емкостями, наполненными водой, — несколько от-
личаются от предыдущих. Температуру в помещениях проще контролировать, ее
колебания меньше, кроме того, при более низкой температуре в комнате соблю-
даются те же условия комфорта, так как здесь осуществляется радиационный
обогрев.
Изолированные солярии, пристроенные к дому, представляют собой обогре-
ваемые солнцем помещения, которыми пользуются только тогда, когда темпе-
ратура в них приемлема для обитателей. Солярий может служить также слож-
ной системой солнечного накопления для отопления дома. Двери, окна, вентиля-
ционные отверстия солярия можно открывать ежедневно для передачи теплоты
в жилое помещение и в дополнительный аккумулятор теплоты. Когда темпера-
тура в жилом помещении становится очень высокой, эти проемы закрывают,
а солярий либо проветривается, либо перегревается вследствие инсоляции.
Ночью вентилируемый солярий должен быть изолирован от жилого помещения
и аккумулятора теплоты. Перегретый солярий, защищенный внешней изоляци-
ей, можно заново открыть для передачи теплоты в жилые помещения. Солярий
сочетает систему прямого поступления с аккумулированием теплоты системой
непрямого поступления.
В результате анализа и оценки более 550 проектов Министерство жилищного
строительства и городского развития выявило три основные ошибки.
1. Во многих случаях наблюдалась ненужная передача полезной теплоты из
«солнечной системы» в жилое помещение. Это может быть результатом либо
некорректного определения площади коллектора, либо малой емкости аккуму-
лятора при слишком большой плошади коллектора.
В некоторых случаях окна дома выходили в равной степени на юг, север, за-
пад и восток, а преимущества, получаемые при отоплении южной стороны путем
использования солнечной энергии, не были приняты во внимание. Необходимо
тщательно определить размер солнечного коллектора и правильно расположить
его в здании, чтобы избежать перегревания летом и потерь теплоты зимой.
Нужно также правильно установить размер аккумулятора теплоты и пра-
вильно расположить его, а материал для изготовления аккумулятора следует
выбирать с учетом его способности поглощать и распределять теплоту. Во мно-
гих обшитых деревом домах не имелось ни кирпичной стены, ни воды для акку-
мулирования солнечной теплоты. Если и применялся аккумулятор, то он часто
был меньшего размера, чем нужно, не соответствовал площади коллектора и
почти всегда не был связан с комнатами второго этажа. Каменными пластинами
для накопления зачастую пользовались, не понимая как следует функции этого
вида аккумулятора и не зная температуры, необходимой для распределения
теплоты. Материалы, накапливающие теплоту (особенно такие, как песок), нуж-
но оценивать по их способности накапливать, хранить и передавать полученную
теплоту. Гранулированные материалы, такие, как камни и песок, обладают очень
небольшой способностью передавать теплоту от песчинки к песчинке. Аккуму-
лирование и отдача теплоты усиливаются при введении потока воздуха.
2. Вторая ошибка заключалась в применении неэффективных систем рас-
пределения теплоты. Если используется лучистое отопление, то проблема заклю-
чается в распределении теплоты, доставляемой из аккумулятора, в помещения,
которые необходимо обогревать.
При применении конвективного отопления нужно учитывать движение пото-
ков теплого и холодного воздуха. Важную роль играет правильное расположе-
ние накопителя. Следует помнить, что теплый воздух эффективно используется
в тех случаях, когда его не приходится перемещать на большие расстояния. Кон-
вективное распределение зависит от естественной разницы температур и от пра-
321
вильно выбранного размера вентилятора для отбора теплоты у аккумулятора
и передачи его в комнаты.
Рациональное распределение солнечной теплоты в пассивной системе здания
обеспечивает оптимальную связь между поступлением и накоплением теплоты,
а также между аккумулятором и жилым помещением.
3. Третья наиболее общая ошибка — плохо продуманная система регулиро-
вания потока теплоты, от которой во многих случаях зависит окончательный
успех пассивной системы. С помощью этой системы ускоряется, замедляется или
прекращается поток теплоты при его поступлении или выходе из дома. Регули-
рующие устройства — заслонки, отдушины, подвижная изоляция, вентиляторы
и т. д. — должны быть правильно размещены, а их размеры должны соответст-
вовать размеру здания.
В дальнейшем ошибки были исправлены. В то время, когда демонстрацион-
ная программа еще не была закончена и многие дома четвертого цикла не до-
строены, Министерство жилищного строительства и городского развития запро-
сило результаты первых трех циклов для проведения анализа. Ниже приведены
некоторые полученные данные по состоянию на 1 января 1979 г.
Строители. В осуществлении демонстрационной программы участвовали
ПО строителей, которых можно отнести к типичным американским строителям
жилых домов. Это опытные работники: 51% из них работают в области жилищ-
ного строительства свыше 10 лет. В демонстрационной программе принимали
участие как мелкие фирмы, сдающие менее 10 домов в год, так и крупные фирмы,
ежегодно сдающие свыше 750 домов. Большинство строителей солнечных домов
в среднем сдают 21 дом в год, что составляет чуть больше 1 млн. дол. валового
дохода. Больше половины строителей (57%) сдают меньше 25 домов в год, и
только 5% — более 750. Причины участия строителей в демонстрационной про-
грамме различны. Чаще всего они сводятся к формулировкам типа «неплохая
идея, стоит попробовать» или «это весьма интересное соревнование».
Демонстрационная программа привлекает строителей, которые раньше
не занимались возведением солнечных домов: 76% из ПО участников не имели
в этом опыта. Большинство участников настроены оптимистично по отношению
к будущему использованию солнечной энергии в их местности. Около 3/4 хотят
строить солнечные дома и вне демонстрационной программы и, что еще более
важно, 45% строят солнечные дома практически без помощи правительства. Бо-
лее того, число таких участников увеличивается в последнее время. По заверше-
нии строительства около 90% строителей выразили удовлетворение по поводу
своего участия в демонстрационной программе: их дома выгодно проданы.
Типы солнечных домов. Дома, построенные по демонстрационной программе,
близки по стилю и обладают теми же качествами, что и обычные дома, характер-
ные для данной местности. Этот вывод сделан на основе сравнения 168 солнеч-
ных и 208 обычных домов. Рассматривались такие характеристики солнечных
домов, как их расположение, размеры, стиль и комфортабельность. Тип солнеч-
ного дома определяется подходящей для рынка моделью дома для одной семьи,
оснащенного эффективным оборудованием для солнечного отопления. Однако
168 рассмотренных солнечных домов являются только частью 2500 домов, полу-
чивших субсидии в течение третьего цикла демонстрационной программы, поэто-
му указанные характеристики не распространяются на все дома с «солнечным
оборудованием».
Большинство солнечных домов (78%) расположены в пределах Стандарт-
ного статистического района крупного города (СМСА) с населением, немного
превышающим 1 млн. жителей. Солнечные дома, расположенные в пределах
СМСА, имеют лучшую покупательную способность, чем дома, находящиеся
в небольших городах и аграрных районах (в СМСА продано 82% домов, а в дру-
гих районах — 57%). Это говорит о том, что строители с осторожностью отно-
сятся к постройке домов вне зоны СМСА.
322
Типичный для демонстрационной программы дом для одной семьи состоит из
трех спален и двух ванных комнат. Обычно это двухэтажный, построенный в раз-
ных уровнях современный дом, обшитый деревом. Оп имеет гараж, а также
патио или балкон. Дом оборудован централизованной вентиляцией, в нем име-
ются машина для мойки посуды, мусоропровод, плита, частично устланные ков-
рами полы, камин. Солнечные дома чаще всего меньше обычных. В среднем их
площадь составляет около 180 м2, в то время как обычных — около 200 м2. Цены
на солнечные дома колеблются от 40 до 80 тыс. дол., более всего пользуются
спросом дома стоимостью от 60 до 62 тыс. дол. Изучение рынка показало, что
наиболее популярны одноэтажные дома для одной семьи, построенные в разных
уровнях и в соответствии с требованиями современного дизайна.
Большинство солнечных систем, установленных в демонстрационных домах,
предназначены для обеспечения горячей водой и отопления. Почти все они —
активные системы, и в большинстве из них (65%) используется жидкостный
теплоноситель. В 61 % домов установлено дополнительное электрическое отопле-
ние. Строители сообщают, что средняя солнечная система стоит 11 300 дол.,
и 63% из них включены в запрашиваемую стоимость дома.
Продажа солнечных домов. Из 168 представленных домов 76% проданы
к 1 января 1979 г. Более того, строителям удалось продать дома по запрошенной
цене. Примерно 70% домов проданы по начальной запрошенной цене и выше.
Запрошенная цена на систему составляет в среднем от 650 до 18 тыс. дол., над-
бавка — 3200 дол. Дома, проданные по цене ниже запрошенной, принесли от
1 до 16 тыс. дол. убытка; средняя скидка составила 5500 дол.
Время продажи солнечных домов оказалось более длительным, чем можно
было ожидать. Это объясняется недостаточной активностью некоторых строи-
телей. Проверка непроданных домов и тех, которые продавались свыше 24 не-
дель, показала, что основной причиной была неадекватная оценка солнечных
домов. Это говорит о том, что строители должны более ответственно подходить
к проектированию. Прежде чем принять решение, какой дом строить, какую на-
значить за него цену и где его продавать, нужно изучить местные вкусы и усло-
вия рынка.
Покупатели солнечных домов. В результате опроса 132 покупателей солнеч-
ных домов выяснилось, что эти покупатели ничем не отличаются от обычных.
Наличие в доме солнечной системы представляет собой не единственный и не
самый важный фактор при выборе покупки. Солнечные дома покупают люди
разного возраста, разных профессий и с различными доходами. Обычно у поку-
пателей раньше был дом, расположенный в том же районе страны.
Наличие системы для использования солнечной энергии хотя и играет важ-
ную роль в привлечении покупателя, однако не является доминирующим факто-
ром при принятии окончательного решения о покупке дома. Не менее важны
такие факторы, как наличие материалов с повышенной теплоаккумулирующей
способностью и стоимостью дома. Запросы покупателей солнечных и обычных
домов в основном совпадают, правда, покупатели солнечных домов больше за-
интересованы в экономии энергии.
Для покупателей солнечных домов важнейшими являются пять факторов:
использование материалов с повышенной теплоаккумулирующей способностью,
цена, наличие солнечной системы, потенциальная цена при перепродаже и ка-
чество дома.
Мнение покупателей. Последним доказательством того, что солнечный дом
принят рынком, является удовлетворение, которое выражают сами покупатели.
Поэтому одной из основных задач программы Министерства жилищного строи-
тельства и городского развития было изучение мнения покупателя о своем доме
и применяемой в нем солнечной системе в течение длительного времени.
Первые интервью с покупателями показывают, что 85% из них удовлетворе-
ны своей солнечной системой. В последующих интервью, проведенных шестью
323
месяцами позже, почти 2/3 (61%) еще раз выразили удовлетворение системой,
более 90% довольны домом в целом и 3/4 выразили готовность снова купить
солнечный дом.
Однако весьма внушительное меньшинство покупателей солнечных домов
не удовлетворены своей солнечной системой, причем некоторые — в большой
степени. В большинстве случаев это недовольство связано с плохим функциони-
рованием системы. Другие причины неудовлетворенности кроются в недостаточ-
324
ной экономии топлива и неудобстве пользования солнечной системой. В общем
мнение пользователя солнечной системой определяется пятью факторами:
экономией топлива, необходимостью ремонта системы, возможностью поддер-
жания определенного уровня температуры в доме, возможностью ухода за си-
стемой жителями дома и сложностью ее эксплуатации.
Некоторые итоги демонстрационной программы. Всего несколько лет назад
общее число солнечных домов составляло менее 100, причем многие из этих
экспериментальных сооружений нельзя даже назвать домами. Сейчас Мини-
стерство насчитывает 11 540 домов, кроме того, около 60 тыс. домов в стране
снабжены различными системами для использования солнечной энергии. До
настоящего момента число домов с солнечными системами удваивалось каждые
8 мес. Такие успехи не могли быть достигнуты без демонстрационной программы.
На рис. 7.44 показан рост производства солнечных коллекторов с 1974 до середи-
ны 1977 г. Последовавшие с конца 1978 г. Национально-энергетические акты
оживили и возобновили продажу солнечных энергосистем.
7.4.4. Коммерческая демонстрационная программа Министерства энергети-
ки. Осуществление правительственной коммерческой демонстрационной про-
граммы связано с установкой в начале 1974 г. солнечных систем в четырех зда-
ниях государственных школ. Сначала это была экспериментальная программа,
а с возникновением в январе 1975 г. Американской администрации по исследо-
ванию и развитию энергии (ЭРДА) правительственная солнечная коммерче-
ская программа быстро переросла из экспериментальной в демонстрационную.
Коммерческая демонстрационная программа была нацелена на решение
следующих вопросов.
1. Возможность промышленного обеспечения системами солнечного отопле-
ния и охлаждения новых и существующих коммерческих зданий.
2. Получение необходимых данных о климате и функционировании системы
для определения параметров проектирования систем солнечного отопления
и охлаждения в коммерческих зданиях.
3. Возможность архитекторов и инженеров сочетать системы солнечного
отопления и охлаждения с интерьером и внешним оформлением здания.
4. Совместимость систем солнечного отопления и охлаждения с правилами
охраны труда в строительстве и, если необходимо, принятие новых юридических
законов.
5. Готовность финансовых учреждений к необходимому финансированию
систем отопления, охлаждения и горячего водоснабжения в коммерческих
зданиях.
6. Принятие строительных законов и стандартов на солнечные системы
отопления, охлаждения и горячего водоснабжения.
7. Способность местных властей защищать и развивать солнечную энер-
гетику.
8. Возможность применения систем солнечного отопления и охлаждения в но-
вых и существующих зданиях с точки зрения потребителей.
9. Получение данных о применении солнечного отопления и охлаждения
в промышленности и сельском хозяйстве.
Прочие проблемы, связанные с практическим применением солнечных систем
отопления и охлаждения, выявляются в процессе их строительства и эксплуа-
тации.
При использовании солнечного отопления и охлаждения в коммерческих
зданиях можно в большинстве случаев использовать те же системы, субсистемы
и компоненты, что и в жилых домах. Однако обычно коммерческим зданиям тре-
буются более сложные и крупные по размеру системы.
Необходимость целенаправленного изучения и развития более совершенных
солнечных систем вызвана тем, что многие материалы, необходимые для их из-
готовления, еше не всегда доступны. Существующие системы, как правило, не-
325
достаточно совершенны и не обеспечивают надежности в течение длительного
времени. Демонстрационная программа направлена на разработку надежных,
доступных по цене и отвечающих современным эстетическим требованиям сол-
нечных систем отопления, охлаждения и горячего водоснабжения.
8. АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗДАНИЙ
А. И. Мелу а
8.1. Современное состояние и задачи управления работой
энергетических систем зданий
Первые попытки использовать солнечную энергию для решения различных
задач в хозяйственной дятельности человека связаны с созданием устройств,
преобразующих солнечное излучение в необходимый вид энергии. Как только
был накоплен опыт конструирования таких устройств, заметно усложнился под-
ход к их развитию. Совершенствование гелиоустановок предусматривает полу-
чение все большего объема энергии, а также повышение к. п. д. преобразовате-
лей. Достижение этих целей требовало учета в процессе эксплуатации гелио-
устройств большого числа меняющихся во времени параметров среды и самого
устройства. Решение этой задачи оказалось не под силу человеку-оператору.
Так создавались предпосылки для автоматизации функционирования гелиоуста-
новок. Этим объясняется поиск путей, принципов и средств автоматизации ра-
боты энергетических устройств рассматриваемого класса. В качестве примера
можно привести проект первой СЭС в Крыму, работа которой во многом будет
зависеть от эффективности функционирования автоматических устройств —
одних из основных компонентов станции.
В данной главе сделана попытка на основе системного анализа рассмотреть
общие принципы построения АСУ энергетическими объектами на основе возоб-
новляемых источников энергии. Система автоматического управления и регу-
лирования работы нетрадиционной энергетической системы (САУ «Контур»,
разработанная в АН СССР) должна решать следующие задачи:
поддержание заданного режима приема и преобразования энергии в энер-
гетической станции;
обеспечение передачи энергии от источника к пользователю при наименьших
ее потерях;
обеспечение режима потребления энергии пользователем с наибольшей
эффективностью.
Энергетическая система здания, в которой используются нетрадиционные
источники энергии, представляет собой совокупность устройств, объединенных
каналами связи и передачи энергии, деятельность которых направлена на полу-
чение, преобразование и передачу потребителю возможно большего количества
энергии для удовлетворения заданных потребностей (рис. 8.1). Условия, при ко-
торых осуществляются основные функции энергетической системы, изменяются
с течением времени. Эти изменения сказываются на величине получаемой потре-
бителями энергии. Одни условия носят объективный характер и не являются
регулируемыми, другие могут быть выбраны оператором или заданы автомати-
чески по определенной программе (рис. 8.2).
Вместе с разработкой конструкций энергетических систем накапливался
опыт по созданию управляющих устройств. Так, в экспериментах по определе-
нию характеристик плоского коллектора использовалось различное число про-
зрачных покрытий и устанавливалась различная температура поглошаюшей
326
Рис. 8.1. Классификатор систем автоматического управления «Контур»
пластины. Результаты показали наличие связи между площадью коллектора
и количеством воды в системе, что использовалось в дальнейшем при регули-
ровании работы системы. На основе ряда экспериментов были сделаны следую-
щие выводы: теплопроизводительность солнечных установок существенно из-
меняется в зависимости от условий инсоляции; эффективность солнечного кол-
лектора удовлетворительна только при продолжительной и интенсивной прямой
радиации; наличие облачности, равно как и ее изменение, влияет на работу сол-
нечного коллектора; диффузная радиация, которая может быть эффективной,
все же значительно меньше прямой.
Длительная эксплуатация в Южной Флориде (США) солнечных коллекто-
327
Рис. 8.2. Классификатор факторов, действующих на энергетическую систему зданий и САУ «Контур»
ров для обеспечения горячей водой коттеджей и многоквартирных домов
подтвердила долговечность конструкции, но отсутствие регуляторов уровня
воды в баках-аккумуляторах явилось причиной выхода их из строя. Потребите-
ли отказались от дальнейшего использования коллекторов, так как нарушилась
работа аккумуляторов, вода имела недостаточно высокую температуру, а затра-
ты на замену баков-аккумуляторов оказались высокими. Герметичность баков
нарушилась в результате неконтролируемой коррозии, вызванной сочетанием
в установке медных труб коллекторов и стальных баков-аккумуляторов. Увели-
328
чение потребления горячей воды в бытовых целях также оказалось неконтро-
лируемым и вызвало дополнительные претензии к системе.
Ряд конструкций гелиоустановок имеют устройства, обеспечивающие слеже-
ние за солнцем с целью прихода к приемнику наибольшего объема прямой сол-
нечной радиации, при которой система работает с наибольшей эффективностью.
Следящая система может перемещать различные элементы конструкции гелио-
установок.
В системах солнечного отопления часто применяются различного рода регу-
ляторы для контроля температуры воды, давления в трубопроводах, уровня во-
ды в расширительном баке, степени открытия заслонок и др. В особенности ока-
зывается важным управление работой устройств, сочетающих в себе различные
физические процессы: например, в проекте Делавэрского университета «Со-
лар-1» применено тепловое и фотоэлектрическое преобразование солнечной
энергии в одной и той же коллекторной системе.
При создании крупных энергетических объектов решение поставленных про-
блем неразрывно связано с разработкой развитых управляющих систем. Они
должны обеспечить заданный режим работы иногда сотен различных устройств,
для каждого из которых наиболее целесообразный график работы имеет свои ин-
дивидуальные характеристики.
Главной целью управления энергетическими системами, использующими не-
традиционные методы получения энергии, является обеспечение наиболее опти-
мальных условий работы энергетической станции. Ведь энергетическая система
и ее САУ испытывает множество внутренних и внешних воздействий (табл. 8.1).
Внутренние воздействия возникают в результате взаимодействия элементов
САУ между собой (например, при подключении к системе пользователя); внеш-
ние воздействия передаются через объект регулирования или другой элемент
САУ (изменение интенсивности инсоляции, скорости ветра и др.).
На энергетическую систему здания и управляющую ее работой САУ «Контур»
действуют различные факторы, определяемые как окружающей средой, так и
спецификой обслуживания системы и технологическими процессами получения,
передачи и использования энергии. К основным факторам внешней среды, воз-
действующим на САУ «Контур», следует прежде всего отнести температуру,
влажность, ветровые условия, солнечную радиацию, загрязнения атмосферы,
характеристики биологической среды, ионизацию воздуха, радиоактивное излу-
чение, механическое воздействие.
Нормальной для работы технических систем считается температура окру-
жающего воздуха 20°С. В зависимости от географической широты местности,
времени года и суток, а также местных микроклиматических особенностей и кон-
структивных характеристик системы температура воздуха в месте работы энер-
гетической станции и системы в целом может изменяться от —71 (район Оймя-
кона) до +50°С (Узбекская ССР). Существенно изменяется температура воз-
духа при изменении высоты над уровнем моря.
Абсолютная влажность на уровне земли колеблется от 0,1 г/м3 в полярных
районах до 30 г/м3 в тропиках. Нормальной относительной влажностью воздуха
считается 65%. Во влажных тропиках относительная влажность достигает 98%
при температуре до +40°С.
Нормальное атмосферное давление равно 760 мм рт. ст. (1,01 • 105 Па). Эта
величина не является стабильной и претерпевает значительные колебания. При
увеличении высоты над уровнем моря атмосферное давление падает.
Скорость ветра изменяется в больших пределах (от 0 до 200 км/ч), причем
колебания могут происходить быстро. С ростом высоты над уровнем моря увели-
чивается скорость ветра, достигая максимума в районе тропопаузы и умень-
шаясь в стратосфере. На больших высотах обнаружены пояса, скорость ветра
в которых может превышать 400 км/ч; эти струйные течения атмосферы исполь-
329
Таблица 8.1. Классификация
воздействия на САУ «Контур»
Графическая характеристика
воздействий
Описание воздействия
Ступенчатое воздейст-
вие. Включение допол-
нительного пользова-
теля, внезапное появле-
ние отказа в одном из
элементов системы
Импульсное воздейст-
вие. Опробование
кратковременной на-
грузки у пользователя,
механическое воздей-
ствие удара и др.
Плавно изменяющееся
воздействие. Измене-
ние инсоляции прием-
ника в течение свето-
вого дня при движении
солнца по небосклону
Периодическое, плав-
ное, направленное.
Порывы ветра, движе-
ние морских волн
Периодическое знако-
переменное. Помехи
радиодиапазона
Нарастающее. Непре-
рывное увеличение
объема горячей воды
из естественного нс
точника
зуются при работе ветроэнергетических
установок, у которых ветропривод вынесен
на большую высоту с помощью воздушных
шаров.
Плотность потока солнечной энергии,
достигающей Земли, изменяется от 0,91 до
1,4 кВт/ (м2 • мин) в зависимости от погло-
щающей способности атмосферы. Излуче-
ние преимущественно сосредоточено в об-
ласти длин волн 0,2—0,5 мкм.
На состояние атмосферы в значитель-
ной степени влияют осадки и загрязнения.
Атмосферные осадки содержат неоргани-
ческие и органические частицы. В примор-
ских зонах осадки включают примеси хло-
ристого натрия, в тропических — повы-
шенное содержание азотной кислоты.
Снег содержит больше азотистых соедине-
ний, чем дождь. Пыль и песок также
влияют на климатические условия; кроме
того, проникая в устройства САУ, они на-
носят повреждения, способствуют увели-
чению электростатических зарядов и со-
здают помехи в работе электронных
устройств.
Из биологических факторов, воздейст-
вующих на САУ «Контур», наиболее ха-
рактерны грибковые образования, интен-
сивно развивающиеся при повышенной
влажности неподвижного воздуха (бо-
лее 85%) и температуре 20--30°С. Тер-
миты и другие насекомые, а также грызуны
могут уничтожать органические, в том чи-
сле изоляционные, материалы.
Ионизация воздуха приводит к повышению его электропроводности, что
может вызвать нарушение работоспособности САУ. Опасность ионизации возду-
ха растет с увеличением высоты. Радиоактивные излучения влияют на работу
САУ, в особенности сильно на кристаллические материалы, воздух, изоляцию,
стекло и электролиты. При облучении быстрыми нейтронами смещаются атомы
в кристаллических решетках, нарушается нормальная работа германиевых и
кремниевых диодов, транзисторов, фотосопротивлений и термисторов. При
радиационном излучении ионизируется воздух и увеличивается проводимость
между точками монтажа.
К механическим воздействиям относят ускорения, вибрацию и удары. Каж-
дое из них может действовать как в отдельности, так и в совокупности.
8.2. Структура и функционирование САУ «Контур»
САУ «Контур» разрабатывается на основе технического проекта строитель-
ства объекта (здания) и оснащения его инженерными системами. Основными
исходными данными для разработки являются: число потребителей энергии
и характеристика потребности в энергии каждого из них по времени и по величи-
330
Рис. 8.3. Укрупненная структурная схема процесса проектирования САУ «Контур»
331
не потребляемой энергии; техническая характеристика средств преобразования
нетрадиционных видов энергии в электрическую или другую, используемую
в проектируемом здании; природно-климатические характеристики района, где
предусмотрено размещение здания с разрабатываемой энергетической системой.
При автоматизации управления работой энергетической системы реализует-
ся комплекс мероприятий, обеспечивающий управление функционированием
энергетической системы с помощью устройств автоматического управления
и человека для улучшения технических и экономических показателей энергети-
ческой системы. Полностью автоматизировать можно только те процессы, для
которых разработан алгоритм и которые в принципе можно реализовать без
участия оператора. Для организации САУ «Контур» необходимо автоматизи-
ровать операции и процессы, составляющие суть функционирования энергети-
ческой системы, при этом функции оператора могут быть полностью или ча-
стично переданы приборам и автоматам. Процесс проектирования САУ «Кон-
тур» показан на укрупненной структурной схеме рис. 8.3, а его основные этапы
представлены в табл. 8.2.
Таблица 8.2. Этапы (стадии) проектирования САУ «Контур»
Этап
Принципиальное содержание
Конкретные задачи
Разработка технического Определение уровня и реализуемо-
задания на проектирова- сти разрабатываемой системы
ние
Выбор источника энергии и обосно-
вание принципиальной технологи-
ческой схемы получения и передачи
пользователю энергии
Предварительное
гирование
проек-
Определение принципов построения
энергетической системы и САУ,
структуры и технических средств
САУ
Разработка номенклатуры и техни-
ческих характеристик элементов и
узлов САУ
Эскизное проектирование Детальная проработка возможно- Привязка САУ к проекту энергети-
сти построения САУ ческой системы
Технологическое (рабо- Детальная отработка схемных, кон- Разработка технической докумен-
чее) проектирование структорских и технологических ре- тации
шений
Серийное изготовление
Эксплуатация
Окончательная доводка принятых Выполнение монтажных работ
технических решений и отработка
технологии изготовления
По мере накопления опыта эксплуа- Монтажные и наладочные работы
тации внесение изменений с целью
доведения параметров системы до
заданных
Таким образом, САУ «Контур» — это комплекс математических и техниче-
ских средств, организованных в единую систему управления, основанную на ре-
гулярном применении современных математических методов и технических
средств автоматической обработки информации в процессе функционирования
энергетической системы. САУ «Контур» (и обслуживаемая ею энергетическая
система) может быть объектной и групповой, а также входить в общегосударст-
венную энергетическую систему (рис.8.4).
Структура САУ «Контур» показана на рис. 8.5. Основной контур включает
устройства управления работой приемника, потребителя и аккумулятора. В до-
полнительный контур входят устройства контроля условий работы энергостан-
ции и потребителя энергии. Программно-управляющий блок содержит данные
о режимах работы всех устройств и элементов системы и осуществляет в авто-
матическом режиме управление работой энергетической системы. Данная схема
332
Рис. 8.5. Структура САУ «Контур»
1 — устройство управления работой прием-
ника; 2 — устройство управления работой
пользователя; 3— устройство управления ра-
ботой аккумулятора; 4 устройство контроля
условий работы энергоисточника; 5 устрой-
ство контроля условий работы пользователя
энергии; 6 — блок обработки информации и
прогноза условий работы энергоисточника;
7 — блок обработки информации и прогноза
работы пользователя энергии; S— про|рамм-
но-управляющий блок
Рис. 8.4. Модели САУ «Контур» и обслуживаемых ею энергетических систем
а — существующая энергетическая система с традиционными источниками энергии; б группа
объектов, каждый из которых включает автономные системы энергоснабжения, обслуживающие
объект; в — замкнутая энергетическая система с перераспределением энергии между источниками
и пользователями в пределах выделенной территории; 1 — источник энергии; 2 — пользователь энер-
гии; 3 — каналы передачи энергии; 4 — пользователь энергии, совмещенный с энергостанцией;
5 — перераспределитель энергии
объединяет все три основные элемента САУ: объект управления или регулирова-
ния работой источника энергии; объект управления или регулирования
работой собственно энергетической системы здания; устройство для измерения
отклонения регулируемых величин и формирования воздействия на объекты
с целью приведения их к заданному состоянию.
Изменение состояния объектов во времени осуществляется путем управ-
ления выбором некоторых характеризующих их величин, которые в дальнейшем
будем называть регулируемыми. Для энергетической системы зданий регули-
руемой величиной является расходуемая энергия. Для источника энергии к регу-
лируемым величинам относятся площадь инсолируемых поверхностей прием-
ника, угол падения солнечных лучей на приемник, объем потребляемой из
естественного источника горячей воды и др. Выбор регулируемых величин
отражает специфику зданий (пользователей энергии) и специфику энергети-
ческих станций (источников энергии). Нарушение состояния объектов управле-
ния может быть вызвано различными факторами (рис. 8.6 и 8.7).
Регулятор обеспечивает автоматическое управление состоянием объектов на
основе заложенной в него программы и измерений, проводимых во время экс-
плуатации энергетической системы. Регулятор включает измерительное, про-
межуточное и исполнительное устройства.
Измерительное устройство воспринимает действительное значение регули-
руемой величины, сопоставляет его с заданным значением и выдает сигнал, про-
порциональный ошибке регулирования. Промежуточное устройство преобразует
сигнал от измерительного устройства к такому виду и величине, которые обеспе-
333
Рис. 8.6. Классификатор причин отказов САУ «Контур»
чивают надежную работу исполнительных механизмов. Исполнительное устрой-
ство вырабатывает воздействие на управляемый объект регулирования, направ-
ленное на восстановление требуемого значения регулируемой величины.
Анализ принципиальной структурной схемы сети источников энергии и поль-
зователей (рис. 8.8) показывает, что она в расчетах может рассматриваться как
система массового обслуживания.
334
П еремежающиеся
По времени существования
Устойчивые
Неустойчивые (сбои)
Явные
По скрытности
Скрытые
Рис. 8.7. Классификатор отказов САУ «Контур»
Расчет режимов работы энергетической системы осуществляется по данным
о режимах возможной работы источника энергии и потребности пользователя
в энергии. На рис. 8.9—8.10 на модели показан расчет режима работы группы
энергостанций и пользователей и график работы двух гелиоэнергостанций,
географическая долгота которых различна.
На рис 8.4,о показана модель существующей системы энергоснабжения
распределенных по территории пользовагелей. На энергетической станции про-
исходит потребление энергетических ресурсов и выработка энергии, при этом
отходы технологического процесса (выбросы в атмосферу и водный бассейн,
загрязнение почвы и растительности и др.) оказывают негативное воздействие
на окружающую среду. Для передачи энергии пользователям применяются
линии электропередачи, устройство которых связано с нарушением ландшафтов
и дополнительным потреблением материальных ресурсов.
На рис. 8.4,6 и в показаны модели сети энергоснабжения ряда пользователей
от гелиоэнергетических станций. При объединенной системе энергоснабжения
распределение энергии по пользователям и управление работой энергетической
системы осуществляется с центрального пульта. При установке у каждого из
пользователей автономного источника энергоснабжения сеть энергоснабжения
отсутствует, управление потреблением энергии осуществляется по автономным
индивидуальным схемам
Под эффективностью САУ «Контур» понимается возможность достижения
некоторой цели, поставленной перед данной энергетической системой в заданных
335
Рис. 8.8. Принципиальная структурная схема
сети источников энергии и пользователей
а — автономное подключение; б—кольцевая
схема; в схема с распределителем энергии;
И — источник энергии; П — пользователь
энергии; Р — распределитель энергии.
Рис. 8.10. Графики работы двух гелиоэнерго-
станций, географическая долгота которых раз-
лична. Мощность вырабатываемой энергии
падает со временем по мере уменьшения инсо
ляции приемников, в связи с чем интегральная
мощность оценивается в едином масштабе вре-
мени в зависимости от режима работы каждого
источника энергии
Nz=QhQs
8.9. Принцип расчета режима работы
источников энергии и пользователей
график потребности в энергии трех
Рис.
сети
а—в
пользователей; г — обобщенная потребность
в энергии трех пользователей; д — график
работы первого энергоисточника; е — график
работы второго энергоисточника; ж — уравне-
ния баланса энергии для проектируемой сети
336
условиях эксплуатации. Это понятие включает производительность, надежность
и другие эксплуатационные показатели системы.
Производительность энергетической системы в целом оценивается мощ-
ностью, вырабатываемой в единицу времени источником энергии.
Надежность энергетической системы характеризуется тремя показателями:
средним сроком эксплуатации (безотказной работы) системы, коэффициентом
ремонтоспособности кр и коэффициентом восстановления кв, определяемым по
формулам
% = Zcp^cp + к* =
где /ср — среднее время работы (до отказа); /р — среднее время отыскания и устранения не-
исправности (одного отказа); vB— скорость автоматического восстановления эксплуатационных
характеристик энергетической системы; — скорость изменения эксплуатационных характе-
ристик энергетической системы под влиянием возмущающих воздействий.
Обобщенным показателем работы САУ и всей энергетической системы яв-
ляется коэффициент использования кисП;
^исп ~ ZcpHZcp + I + I проф Г
где Гп[Юф — среднее время профилактики, приходящееся на один отказ.
К отказам приводит низкая надежность САУ и энергетической системы. При
этом нарушается работоспособность систем, проявляющаяся в произвольном
изменении режимов получения, передачи или потребления энергии.
Возможности применения САУ в некоторых несложных конструкциях можно
иллюстрировать следующими примерами.
В жилом доме в Брисбене (Австралия) применен водяной коллектор, распо-
ложенный на северном скате крыши, площадью 69 м2 (12 панелей площадью
1,2X4,8 м каждая, представляющие собой медные листы толщиной 1 мм с мед-
ными трубками диаметром 13 мм, размещенными на расстоянии 150 мм между
центрами), с изоляцией из полиуретана толщиной 100 мм и черной селективной
поверхностью. Гелиосистема обслуживает отопление и охлаждение дома, а так-
же вентиляционную систему и горячее водоснабжение. В разработанной для
данного проекта САУ предусмотрены:
установка автоматических датчиков уровня воды и температуры в термоста-
те, энергоаккумулирующих баках, холодильнике, водяном аккумуляторе;
устройство линий связи между датчиками, регуляторами, исполнительными
механизмами и центральным управляющим блоком;
возможность блокирования отдельных систем и элементов при изменении
режима работы гелиоэнергоснабжения.
Необходимо отметить, что создание САУ, как и дальнейшее развитие отдель-
ных направлений энергоактивного строительства, зависит от требований, предъ-
являемых пользователем к системам энергоснабжения и их управляющим
элементам. Пока еще не выработаны не только требования к САУ, но и не вы-
полнен в достаточно обобщенном виде анализ возможностей автоматических
устройств при их внедрении в том или ином проекте энергоснабжения зданий.
Имеющийся опыт автоматизации управления энергосистемами включает,
с одной стороны, крупные проекты энергостанций, неприменимые для отдельных
небольших объектов, а с другой — инициативные разработки отдельных спе-
циалистов.
337
9. ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ
ЭНЕРГОАКТИВНЫХ ЗДАНИЙ
И. П. Селиванов, В. И. Спиров
9.1. Общие сведения
В гидротермальных коллекторах для тепло- и холодоснабжения зданий
можно использовать воду источников с низкопотенциальной энергией, в том
числе грунтовую и водопроводную, воду естественных и искусственных водое-
мов, некоторые виды сбросных вод и других источников, температура воды
в которых не превышает 30°С.
Большинство низкопотенциальных гидротермальных источников энергии
характеризуется значительной нестабильностью температурных параметров
воды, колебания которых имеют сезонный, суточный и случайных характер,
непосредственно зависящий от климатических условий данного района. Кривая
колебаний температуры воды по характеру соответствует кривой колебаний
температуры воздуха с отставанием по фазе, определяемым инерционностью
теплоносителя и окружающего его грунта. Таким образом, температура воды
в источниках во время наиболее сильных сезонных изменений колеблется в не-
благоприятном для использования направлении (зимой и ранней весной,
в период наибольшей потребности в теплоте, температура воды большинства
источников минимальна; летом, когда возрастает спрос на холод, ее температура
достигает максимума).
Наибольшей стабильностью (и в то же время наиболее высокими энергети-
ческими параметрами) обладают сбросные воды, особенно сбросные воды атом-
ных электростанций. Наименее стабильны параметры вод открытых водоемов,
температура которых изменяется в средних широтах от 20—25°С летом до
4—5°С в придонных слоях зимой. Грунтовая и водопроводная вода занимает
промежуточное положение, она практически не подвержена суточным и случай-
ным колебаниям температуры, а амплитуда сезонных колебаний температуры
в значительной мере зависит от глубины заложения водоносного слоя или труб
водопровода. При этом колебания температуры водопроводной воды больше,
чем грунтовой воды сравнительно глубокого залегания, и достигают в средней
полосе СССР 12—15°С (от 3—5°С зимой до 12—18°С летом).
В большинстве зданий воду с указанными выше параметрами можно исполь-
зовать без дополнительного подогрева только как теплоноситель первого
(внешнего) контура системы теплоснабжения. Исключение составляют сравни-
тельно теплые (25—30° С) сбросные воды, которые могут быть использованы
непосредственно в приборах низкотемпературного отопления. Кроме того, в ка-
честве основного или единственного теплоносителя вода гидротермальных
источников может быть использована для тепло- и холодоснабжения зданий,
помещения которых требуют поддержания температуры в диапазоне от 5
до 15° С.
Здесь рассматриваются гидротермальные коллекторы, использующие воду
с естественной температурой источника, без дополнительного подогрева или
охлаждения ее с помощью внешних источников энергии. По условиям циркуля-
ции воды в коллекторе различают три типа гидротермальных коллекторов:
открытого типа, в которых поверхность воды на всем протяжении коллекто-
ра соприкасается с окружающим ее воздухом;
полуоткрытого типа, в которых поверхность воды соприкасается с окружаю-
щим ее воздухом на части пути, а на остальной части перемешается по каналам
различного вида, целиком заполненным водой;
закрытого типа, в которых поверхность воды в течение всего времени пере-
338
мещения в пределах коллектора находится в каналах, целиком заполненных
водой, и соприкасается только со стенками каналов.
Коллекторы всех типов могут быть выполнены комбинированными по тепло-
носителю (например, наряду с использованием в качестве первичного теплоно-
сителя воды в качестве вторичного может быть использован воздух). С целью
повышения эффективности гидротермальные коллекторы могут быть совмещены
с коллекторами других типов, чаще всего — с коллекторами солнечной энергии.
Выбор типа коллектора определяется конкретным техническим решением, учи-
тывающим местные условия, архитектурно-строительные требования к зданию,
материальные ресурсы и наличие производственной базы. Определенное влия-
ние на выбор типа коллектора оказывает характер используемого источника.
Например, гидротермальные коллекторы, использующие водопроводную воду
(особенно питьевую), должны быть преимущественно закрытого типа, так как
только в этом случае возможен возврат использованной воды в сеть водо-
провода.
9.2. Гидротермальные коллекторы систем
защиты зданий от перегрева
В средних и низких широтах причиной дискомфортных условий в жаркое
время года является не только высокая температура воздуха, проникающего
в помещение, но и перегрев ограждающих конструкций зданий в условиях интен-
сивного нагрева в поле солнечной радиации. Гидротермальные коллекторы,
работающие на водопроводной воде, а также на воде открытых водоемов, за-
щищают ограждающие конструкции от перегрева достаточно просто в конструк-
тивном отношении и с минимальными затратами энергии при эксплуатации.
Гидротермальный коллектор открытого типа, предназначенный для защиты
от перегрева кровельных конструкций гражданских и промышленных зданий
(рис. 9.1), выполнен в виде водоорошаемого экрана с вентилируемой воздушной
прослойкой. Экран изготовлен из установленных параллельно кровле отдельных
пластин, профилированных в форме лотков с отогнутыми кромками. Пластины
расположены длинной стороной вдоль конька кровли и по скату перекрывают
одна другую отогнутыми кромками, между которыми оставлен зазор для обеспе-
чения циркуляции воздуха. В коньке кровли установлена водораздаточная
труба с перфорацией, подающая воду на верхнюю пластину экрана одновремен-
но по всей ее длине. Вода пленочной струей стекает по пластине, скапливается
у продольных зиг, переливается через них и по каскаду пластин экрана сплош-
ной пленочной струей покрывает весь экран, образуя между кромками смежных
пластин завесу из падающей воды. У карниза вода может быть собрана в лоток
и направлена на рециркуляцию.
Режим работы коллектора может варьироваться в зависимости от темпера-
турных и радиационных условий путем большей или меньшей подачи воды.
В определенные периоды вода может быть перекрыта, и тогда коллектор рабо-
тает как обычный экран с вентилируемым продухом.
Рассмотренное решение имеет преимущество перед распространенными
наливными и орошаемыми кровлями и кровлями с экранами, так как улучшает
температурно-влажностный режим, исключает ультрафиолетовое и тепловлаж-
ностное старение рулонной кровли, происходящее в первых двух конструкциях,
и повышает теплозащитный эффект, недостаточный в конструкции кровли
с экранами вследствие высокого собственного излучения нагретого экрана.
Пластины экрана выполняют из тонких листовых (0,6—1 мм) непрозрачных
и водостойких материалов с хорошо отражающей поверхностью, например из
алюминия или слоистых композиций, включающих металл. В системах с рецир-
куляцией воды могут быть использованы пластины из алюминия или алюмини-
339
Рис. 9.1. Коллектор открытого типа для защиты от перегрева кровельных ограждений
1 - пластина орошаемого экрана; 2—вентилируемая воздушная прослойка; 3 — зазор; 4— на-
клонное ребро для крепления пластин экрана; 5 - наклонное покрытие с рулонной кровлей; 6 — во-
дораздаточная труба
рованных с наружной стороны листов, так как такой экран в дневное время хо-
рошо отражает солнечную радиацию, а в ночное способствует ускоренному
охлаждению перетекающей по нему воды. Пластины закрепляют на уложенных
вдоль ската сплошных или решетчатых ребрах, причем конструкции крепления
должны предусматривать периодическое снятие пластин для осмотра и ремонта
кровли (это может быть, например, широко распространенное в алюминиевых
конструкциях крепление в распор на кляммерах).
Гидротермальный коллектор открытого типа, предназначенный для защиты
от перегрева стен гражданских, промышленных и сельскозохяйственных зданий
(рис. 9.3), совмещен с конструкцией стены. Конструкция состоит из обшивки
стены с закрепленной на ней теплоизоляцией и отделенного от стены воздушной
прослойкой непрозрачного экрана. В пределах воздушной прослойки, между
стеновой обшивкой и экраном, расположена система продольных пластин с ото-
гнутыми кромками, причем в продольном направлении пластины горизонтальны,
а в поперечном наклонены через одну вправо и влево. Над верхней пластиной
размещена водораздаточная труба с перфорацией, а в нижней части стены
имеется водосборный лоток. В верхней и нижней частях экрана сделаны закры-
вающиеся проемы, сообщающие воздушную прослойку с наружным простран-
ством. Экран и наклонные пластины закреплены на вертикальных ребрах, рас-
членяющих воздушную прослойку на отдельные отсеки.
Принцип движения воды в коллекторе аналогичен рассмотренному в преды-
дущем случае: подаваемая через перфорацию раздаточной трубы вода пленоч-
ной струей стекает по каскаду пластин и собирается в нижнем лотке, откуда по-
дается на рециркуляцию. Однако наличие экрана позволяет добиться эффекта,
недостижимого в предыдущем случае: регулируя количество подаваемой воды,
можно получить внутри воздушной прослойки температуру ниже, чем темпера-
тура наружного воздуха. Таким образом, рассматриваемое решение не только
защищает ограждающую конструкцию от перегрева, но может служить также
и для охлаждения здания.
Проемы в экране, закрытые в самое жаркое время дня, вечером открывают
для удаления излишней влаги в виде пара и тумана, скапливающейся в течение
дня. Ночью циркуляция воздуха в прослойке способствует скорейшему охлажде-
нию воды к следующему дневному циклу. Помимо основной задачи коллектор
340
Рис. 9.2. Коллектор открытого типа с каскадным переливом воды для защиты от перегрева стеновых
ограждений
а — вертикальный разрез; б — горизонтальный разрез по воздуховодному каналу; 1— обшивка
стены; 2 — теплоизоляция; 3 — экран; 4 — продольная пластина; 5 — воздуховодный канал;
6 — полое ребро; 7 — проем в экране; 8 — водораздаточная труба
улучшает условия эксплуатации здания зимой, создавая дополнительную изоли-
рованную воздушную прослойку в конструкции стены, что особенно эффективно
в местностях с сильными зимними ветрами.
Обшивка стены, экран и пластины могут быть выполнены из листового корро-
зионно-стойкого металла или других материалов. При этом следует иметь в виду,
что обшивка стены и экран, хотя и не имеют непосредственного контакта
с охлаждающей водой, все же работают в условиях весьма высокой влажности,
обусловленной интенсивным испарением воды с наклонных пластин. Обшивка
стены помимо влагостойкости должна также обладать достаточной паронепро-
ницаемостью для защиты от увлажнения расположенной за ней теплоизоляции.
Гидротермальный коллектор открытого типа, комбинированный по теплоно-
сителю и предназначенный для защиты от перегрева стен гражданских, промыш-
ленных и сельскохозяйственных зданий (рис. 9.2), совмещен с конструкцией
стены. Коллектор отличается от рассмотренного выше конструкцией наклонных
пластин; выполненных с дополнительными воздуховодными каналами, и верти-
кальных ребер, полых в поперечном сечении, причем воздуховодные каналы со-
общены с полостью ребер. Воздуховодные каналы и полости вертикальных
ребер предназначены для охлаждения воздуха в системе приточной вентиляции
здания и действуют следующим образом. Воздух из воздухозабора поступает
сверху в полость вертикального ребра, распределяется между воздуховодными
каналами в горизонтальных пластинах и, охлажденный в них перетекающей
водой, попадает в полость соседнего ребра, затем в воздуховоды вентиляцион-
341
раздаточная труба; 6 — проемы в экране
ной системы и далее — в помещение. В местностях с излишне сухим воздухом
возможен вариант этой конструкции, в котором увлажненный воздух из воздуш-
ной прослойки подается непосредственно в помещение.
Рассмотренный гидротермальный коллектор является конструкцией, которая
не только обеспечивает защиту стен от перегрева, но и способствует экономии
энергии на отопление здания, так как при подключении каналов в пластинах
к источнику воды зимой можно обеспечить в замкнутой воздушной прослойке
более высокую температуру, чем в окружающем пространстве, в том числе и по-
ложительную. В результате уменьшаются теплопотери здания и соответственно
сокращается расход энергии на его отопление. Работа коллектора в зимнем
режиме требует интенсивной активной циркуляции воды и своевременного опо-
рожнения системы в большие морозы во избежание ее размораживания.
Солнцезащита в виде водяной завесы (рис. 9.4) предназначена для примене-
ния в открытых с одной или нескольких сторон помещениях сезонного использо-
вания. Завеса создается водой, которая под давлением подается через систему
отверстий в раздаточной трубе, расположенной в верхней части ограждения
или, реже, через ряд сеток-разбрызгивателей с взаимным перекрытием водяных
342
струй. Завеса может иметь вид практически сплошной пелены воды или отдель-
ных струй, расположенных в один или более рядов по глубине (толщине) завесы.
Внизу вода собирается в лоток и отводится в канализацию или подается на ре-
циркуляцию. Способ солнцезащиты водяной завесой достаточно эффективен,
но требует большого расхода воды. Кроме того, водяная завеса может быть
сбита сильным и даже умеренным ветром, причем брызги и водяная пыль раз-
носятся на значительное расстояние. Водяная завеса находит ограниченное при-
менение в южных районах для солнцезащиты летних кафе, торговых точек
и т. д. Этот же прием может быть использован и в производственных зданиях
как защита от периодических залповых лучистых теплопоступлений (например,
при выпуске расплавленного металла и др.). В этих случаях водосборный лоток
должен быть скрыт ниже уровня чистого пола и защищен решеткой. Такое ре-
шение позволяет создавать на короткое время и на определенном участке защит-
ную завесу, оставляя этот участок свободным в остальное время.
Гидротермальный коллектор открытого типа (рис. 9.5), предназначенный
для защиты помещений от перегрева, совмещен с конструкцией светопрозрачной
неутепленной стены. Коллектор состоит из положенных горизонтально лотков
специальной формы с опущенным с одной стороны вертикальным фартуком.
Лотки с правым и левым наклоном устанавливают через один так, чтобы фартук
верхнего лотка был опущен в нижний лоток. Торцами лотки прикреплены к вер-
тикальным ребрам. Верхний лоток сообщен с системой подачи воды, нижний —
с системой водоотвода.
В верхний лоток подается вода, наполняет его и переливается через край,
стекая по фартуку пленочной струей в нижний лоток. В зависимости от режима
работы воду подают непрерывно или периодически. В первом случае водой
покрыта вся поверхность стены, во втором — вода находится только в лотках,
а часть фартука, расположенная выше уровня воды, оказывается сухой (в за-
висимости от профиля лотков конкретной конструкции солнечные лучи, проник-
шие сквозь сухую зону фартука, могут быть перехвачены заполненными водой
лотками).
При достаточном объеме лотков конструкция может работать в режиме
емкостного гидротермального коллектора (в этом случае коллектор подпиты-
вают водой периодически). Емкостный коллектор может одновременно служить
аккумулятором теплоты, накапливаемой водой в дневное время и отдаваемой
в помещение вечером и ночью. В районах с резко континентальным климатом
такое суточное выравнивание температуры в помещении является положитель-
ным фактором.
Лотки выполняют из прозрачных и полупрозрачных пластмасс, в том числе
армированных стекловолокном. Силикатное стекло применяют в исключитель-
ных случаях. Вертикальные ребра изготовляют из пластмасс или из металла
(преимущественно— из алюминия). В зависимости от применяемых материа-
лов торцы лотков приваривают или приклеивают к ребрам. Возможно механи-
ческое соединение ребер с лотками, обязательно с последующей герметизацией
стыков.
9.3. Гидротермальные коллекторы
в системе обогрева помещений
Энергия низкопотенциальных гидротермальных источников (без дополни-
тельного подогрева воды) в системах теплоснабжения зданий может быть
использована:
в качестве теплоносителя первого (внешнего) контура системы теплоснабже-
ния при наличии второго (внутреннего) контура с теплоносителем более высоких
энергетических параметров;
343
в качестве основного (или единственного) теплоносителя в системах тепло-
снабжения зданий, требующих сравнительно низких эксплуатационных темпе-
ратур при допустимости значительных колебаний;
в качестве основного (или единственного) теплоносителя в системах низко-
температурного отопления зданий.
Удовлетворительные результаты с применением гидротермальных коллекто-
ров во внешнем контуре систем теплоснабжения могут быть получены при
использовании воды всех перечисленных ранее источников, в зданиях любого
назначения, в том числе с самыми строгими требованиями к температурному
режиму. Наиболее эффективно такое решение в зданиях со сравнительно боль-
шими поверхностями глухих стен при умеренной площади проемов. Идея техни-
ческого решения заключается в создании в холодное время года из наружной
поверхности ограждающих конструкций здания своеобразного барьера с темпе-
ратурой, более высокой, чем температура наружного воздуха (и в любом
случае — положительной). В результате градиент температур между внутрен-
ней и наружной поверхностями уменьшается в 1,5—2 раза, пропорционально
этому уменьшению сокращаются теплопотери здания, а следовательно, и затра-
ты энергии на отопление.
В зданиях, помещения которых требуют в процессе эксплуатации сравни-
тельно низких положительных температур при допустимости колебаний этих
температур в пределах нескольких градусов, может оказаться эффективным
использование гидротермальных коллекторов в качестве основного или един-
ственного средства отопления. Однако вопрос о целесообразности применения
таких систем должен в каждом конкретном случае решаться только после
тщательного технико-экономического анализа. Одной из возможных областей
применения гидротермальных коллекторов этого рода могут оказаться, на-
пример, хранилища некоторых видов сельскохозяйственной продукции. Правда,
вода открытых водоемов, водопроводная вода и грунтовая вода из верхних
горизонтов, создавая температуру в хранилищах сельскохозяйственной продук-
ции в зимнее время, равную 4—6° С, летом может нагреваться до температуры,
непригодной для термостатирования. В этих случаях охлаждение хранилищ
достигается иными средствами. Температура грунтовой воды более глубокого
заложения обладает достаточной стабильностью и может в ряде случаев ока-
заться приемлемой для обеспечения круглогодичного термостатирования
хранилищ.
В качестве основного (или единственного) теплоносителя в зданиях с систе-
мами низкотемпературного отопления могут быть использованы теплые сброс-
ные воды и воды некоторых естественных источников с температурой 25—30°С.
Наиболее пригодны для этих целей сбросы атомных и других электростанций,
так как они не требуют подготовки и могут быть непосредственно направлены
в отопительные приборы соответствующих помещений. Некоторые технологи-
ческие сточные воды при приемлемой температуре загрязняются различного
рода примесями, которые могут послужить причиной коррозии коллекторов
и трубных разводок. Теплые воды естественных источников, помимо наличия
в них агрессивных агентов, как правило, сильно минерализованы, в результате
чего весьма вероятно выпадение растворенных в виде компонентов в осадок
непосредственно в каналах теплообменников коллекторов и в трубных развод-
ках. Поэтому применение таких вод в системах теплоснабжения ограничено.
Ниже приведено несколько возможных технических решений применения
гидротермальных коллекторов для теплоснабжения зданий (все эти системы
могут работать и как системы охлаждения в летний период, что увеличивает их
эффективность).
Гидротермальный коллектор открытого типа (рис. 9.6), совмещенный с кол-
лектором солнечной энергии, предназначен для отопления и охлаждения граж-
данских и промышленных зданий. Коллектор состоит из расположенных гори-
344
Рис. 9.5. Коллектор открытого типа, совмещен-
ный с конструкцией светопрозрачной стены
1 — лоток; 2 — фартук лотка; 3 — вертикаль-
ное ребро; 4 — патрубок для подачи воды
Рис. 9.6. Коллектор открытого типа для отопле-
ния и охлаждения зданий, совмещенный с кол-
лектором солнечной энергии
/—лоток; 2- фартук лотка; 3 — обшивка
стены; 4 — теплоизоляция; 5 — селективно
прозрачное остекление; 6 — солнечная радиа-
ция; 7 селективно поглощающее покрытие;
8 — патрубок для подачи воды
зонтально лотков. Система таких лотков, укрепленных на вертикальных ребрах,
установлена с наружной стороны утепленной стены. От внешнего пространства
систему лотков отделяет селективно прозрачное остекление. Наружные стенки
лотков, обращенные в сторону улицы, зачернены селективно поглощающим со-
ставом, а сами лотки заполнены водой. В режиме теплоснабжения конструкция
работает как емкостный коллектор солнечной энергии: солнечная радиация
проникает сквозь селективное прозрачное остекление, поглощается поверх-
ностью лотков и нагревает находящуюся в них воду. По достижении требуемой
температуры вода через полые вертикальные ребра отводится в аккумулятор
теплоты и подается непосредственно на приборы отопления. Возможно и более
узкое использование этой конструкции — только для увеличения тепловой инер-
ции стены. В этом случае находящаяся в лотках теплая вода в вечернее и ночное
время уменьшает теплопотери ограждения. В конструкции этого коллектора
поверхность утепленной стены, обращенная к лоткам, должна иметь водонепро-
ницаемую облицовку. Лотки выполняют из непрозрачного материала (алюми-
ния, пластмассы). Подачу воды производят через верхний лоток, сбор воды —
в аккумулятор теплоты через полые вертикальные ребра или на рециркуляцию
345
Рис. 9.7. Коллектор закрытого типа для пер-
вого контура системы отопления зданий
а — схематический разрез здания; б, в ва-
рианты поперечного сечения стенового ограж-
дения (фрагменты); 1 — внутренняя обшивка;
2 — теплоизоляция; 3 — наружная обшивка-
теплообменннк; 4 — канал для циркуляции во-
ды; 5—водозабор; 6 — водораздаточная
труба; 7 — отводящая труба; 8 — водонос-
ный слой грунта; 9 — защитный экран
Рис. 9.8. Коллектор закрытого типа для отоп-
ления и охлаждения зданий
/ — наружная обшивка; 2 — теплоизоляция;
3 внутренняя обшивка-теплообменник;
4 - канал для циркуляции воды; 5 — питаю-
щий трубопровод; 6 — водораздаточная тру-
ба; 7. — отводящая труба
(при работе коллектора в режиме защиты от перегрева), через нижний водо-
сборный лоток. Недостатком этого коллектора, как и других коллекторов с от-
крытой циркуляцией жидкостного теплоносителя, является неизбежность вы-
падения на внутренней стороне остекления конденсата, снижающего эффектив-
ность работы коллектора.
Гидротермальный коллектор закрытого типа, предназначенный для тепло-
снабжения гражданских, промышленных и сельскохозяйственных зданий
(рис. 9.7) в качестве первого (наружного) контура системы отопления, совме-
щен с конструкциями кровельного и стенового ограждений. Ограждающие кон-
струкции состоят из внутренней обшивки, теплоизоляции и наружной обшивки
в виде теплообменника. Теплообменник представляет собой ряд примыкающих
друг к другу заполненных водой каналов протяженностью от конька крыши до
фундамента каждый. В коньке каналы объединены водораздаточной трубой,
через которую из водозабора поступает в каналы грунтовая, водопроводная,
озерная и другая вода. У фундаментов вода из каналов попадает в отводящие
трубы и возвращается в источник. При этом, если источник проточный, водо-
забор располагают выше по течению, чем выпуск отработанной воды. Переме-
щаясь по каналам вниз, вода в холодное время года отдает теплоту стенкам
каналов, образующих в совокупности наружную обшивку ограждающей кон-
струкции. Замерзание воды в каналах предотвращается за счет ее непрерывной
циркуляции — естественной в умеренно прохладную погоду (при плюсовой тем-
пературе воздуха) и с механическим побуждением для ускорения движения
воды при отрицательной температуре наружного воздуха.
346
В некоторых случаях со стороны улицы каналы защищают дополнительным
экраном с вертикальными ребрами, образующими между экраном и циркуля-
ционными каналами ряд изолированных вертикальных полостей. Теплообмен-
ник изготовляют из металла (например, из алюминиевых прокатно-сварных
панелей) или из озоно- и морозостойких пластмасс.
Применение таких коллекторов, создающих на поверхности ограждающих
конструкций своеобразную водяную рубашку, позволяет значительно сокра-
тить расход энергии на отопление за счет уменьшения градиента температуры
между наружной и внутренней поверхностями ограждений. Поскольку темпера-
тура воды в каналах не падает ниже 4- 5°С, перепад температуры при наруж-
ной —20 и внутренней +20° С температурах уменьшается до 16° С по сравнению
с 40°С в обычных ограждениях. Если вода из системы по каким-либо причинам
спущена, каналы, представляющие собой ряд изолированных воздушных пазух,
повышают общее термическое сопротивление стены.
Гидротермальный коллектор закрытого типа, предназначенный для отопле-
ния и охлаждения гражданских и промышленных зданий, хранилищ сельско-
хозяйственной продукции, складов и др. (рис. 9.8), совмещен с конструкциями
кровельных и стеновых ограждений. Ограждающие конструкции «обращены
внутрь», т. е. теплообменник в них расположен с внутренней стороны огражде-
ний. Характер циркуляции воды и требования к расположению водозабора и
выпуска также не отличаются от описанных ранее. Однако в этой конструкции
гидротермальный коллектор является единственным средством термостатиро-
вания здания, а вода низкопотенциального источника — единственным тепло-
носителем. Поэтому класс зданий, обслуживаемых подобными коллекторами,
всецело зависит от энергетических параметров используемой воды. Например,
при наличии достаточно теплой сбросной воды электростанции такая система
может быть применена практически в любых зданиях вплоть до жилых. При этом
создание теплой поверхности наружных ограждающих конструкций повышает
уровень комфорта, устраняет нежелательный эффект «отрицательной радиа-
ции» и позволяет несколько снизить требуемую при обычных системах отопления
температуру в помещениях.
При использовании грунтовой воды коллектор удовлетворяет требованиям
ограниченного числа типов зданий, в основном — хранилищам материалов и
продукции (в том числе сельскохозяйственной), требующим пониженной темпе-
ратуры — от 4—5 до 12—15° С — и малочувствительным к колебаниям темпера-
туры в этих пределах. В коллекторах этого типа теплообменники изготовляют
из материалов высокой теплопроводности, преимущественно из металла, так
как в отличие от коллектора, расположенного с наружной стороны ограждения,
повышение теплоотдачи увеличивает эффективность работы системы.
10. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЕКТОВ
ЭНЕРГОАКТИВНЫХ ЗДАНИЙ
А. И. Мелу а
10.1 Актуальные задачи и цели экологического анализа
проектов энергоактивных зданий
Энергообеспечение зданий — одна из прикладных инженерных задач
в строительстве. В настоящее время для ее решения начинают привлекаться
данные естественно научных исследований, направленных на изучение и прогно-
зирование экологической обстановки в пространственных масштабах, более
широких, чем отдельное здание и даже крупный город. Это объясняется двумя
347
причинами. Во-первых, конечностью энергетических ресурсов. При проектиро-
вании необходимо решить вопросы не только конструктивной и объемно-плани-
ровочной организации среды обитания, но и определить путь (источник) получе-
ния энергии для функционирования здания. Во-вторых, рост энергопотребления
человечеством сопровождается усилением антропогенного влияния на окружаю-
щую среду, которое приводит в ряде случаев к негативным изменениям в окру-
жающей среде.
Для науки нашего времени характерна дифференциация научных направле-
ний и повышение специализации ученых. Уход от энциклопедизма средневековья
был вызван необходимостью углубленной проработки отдельных научных на-
правлений и интенсивным процессом ветвления науки. Эти явления усилились
после Промышленной революции XVIII в. и возникновения технических наук
как зародыша будущего самостоятельного научного направления. Постепенно
сложилось убеждение, что объект исследований технических наук относится
к области практической деятельности человека. А раз так, то проблемы биосфе-
ры и экологии оказались, естественно, за рамками этих наук. Казалось, в этом
не было большой ошибки, так как человек оказывал лишь незначительное влия-
ние на биосферу. Можно сказать, что в то время в биосфере имелись очаги ант-
ропогенной деятельности.
В дальнейшем соотношение сил между естественной средой биосферы и
антропогенной средой сферы результатов человеческой преобразующей деятель-
ности (техносферы) быстро выровнялось. Человеческий разум превратился
в «мощную геологическую силу», результативность которой стала соизмерима
с естественными силами природы. На повестку дня встала проблема управле-
ния антропогенной деятельностью во имя сохранения на Земле наиболее благо-
приятных условий для существования и развития настоящего и будущего поко-
лений людей. Антропогенная деятельность приобрела глобальные масштабы.
Сложилась техносфера — результат повсеместного преобразования человеком
естественной среды. Техносфера начала вступать во взаимоотношения с биосфе-
рой. Анализируя эти взаймоотношения, специалисты заметили, что далеко не
всегда результат их труда положительно воспринимается биосферой. Следова-
тельно, для того, чтобы обеспечить сохранение благоприятных для жизнедея-
тельности условий, необходимо понять устройство и процессы развития био-
сферы, сделать техносферу «коммуникабельной» по отношению к биосфере. Это
явилось предпосылкой экологизации технических наук и науки в целом.
Таким образом, в настоящее время, с одной стороны, существует сложив-
шаяся в течение многих десятков тысячелетий естественная система — биосфе-
ра, а с другой — появилась в последние века искусственная (антропогенная)
система — техносфера. Глобальность организации техносферы предъявляет
особые требования к проектам ее дальнейшего развития. Если реализуемые
в техносфере проекты носят повсеместный характер, то они требуют системного
экологического подхода.
Биосфера Земли — это единство живого и неживого (косного) вещества.
Природопреобразующая роль человеческого труда проявилась в зарождении
и расширении техносферы как составной части всего косного вещества планеты.
Если живые системы безостановочно (эволюционно) развиваются, то техниче-
ские представляют собой подчиненные в своей динамике человеку структуры,
созданные человеческим разумом для удовлетворения насущных потребностей
человечества. Соотношение естественного и антропогенного — это соотношение
биосферы и техносферы, природы и общества.
Накопленные к началу XX в. данные о развитии биосферы были положены
в основу учения о биосфере, разработанного академиком В. И. Вернадским.
В нем биосфера представлена как саморегулирующаяся система. Саморегуля-
ция биосферы — это результат способности живого вещества создавать и
использовать в процессе переработки различные вещества, обеспечивая воспро-
348
Рис. 10.1. Уровни организации окружающей среды
а — названия уровней организации неживого вещества; б — примеры объектов, принадлежащих
различным уровням организации неживого вещества; в — названия уровней организации живого
вещества; г — примеры объектов, принадлежащих различным уровням организации живого ве-
щества
изводство живого вещества. Развитие биосферы сопровождается процессами
миграции и преобразования вещества и энергии в грандиозном планетарном
круговороте — биогеохимических циклах важнейших элементов и соединений.
Организованность биосферы и техносферы может быть представлена раз-
личными моделями. Для данной работы наиболее представительны иерархи-
ческие схемы (рис. 10.1). Основной принцип иерархической организации техно-
сферы — экологический. Техносфера размещается в «экологических нишах»,
заполняя биосферу антропогенными структурами и результатами антропогенной
деятельности. Постепенно осваивая все новые и новые уровни организации,
техносфера стала глобальной системой. Заполнение «экологических ниш» антро-
погенными структурами характеризует динамику развития техносферы
(рис. 10.2). Развитие и функционирование техносферы оказывает воздействие
на живое вещество планеты. Наблюдается противоречие между основным на-
значением техносферы (удовлетворять насущные потребности человечества)
и сопутствующими ей негативными изменениями окружающей среды в результа-
те технологических загрязнений природных сред и нарушений в природопользо-
349
вании. Все знания и возможности человечества должны быть нацелены на сведе-
ние к минимуму противоречий «техносфера — биосфера».
В связи с этим перед экологами и специалистами народного хозяйства
ставятся задачи изучения закономерностей развития биосферы и разработки
экологически обоснованных направлений (принципов) создания техносферы.
Она не должна изменять условия окружающей среды таким образом, чтобы они
угнетали жизнедеятельность. Для этого необходимо обеспечить органическую
связь между фундаментальными исследованиями биосферы, ведущимися на
академическом и межведомственном уровнях, и прикладными работами, осу-
ществляемыми отдельными министерствами и ведомствами.
Строительство — наиболее активная отрасль народного хозяйства, форми-
рующая техносферу. Расселение является главным процессом, характеризую-
щим расширение и усложнение техносферы. Поэтому основной экологический
принцип формирования техносферы переносится на область строительства.
10.2. Экологические требования
к энергетическим системам зданий
Энергетическая система здания представляет собой специфическую инже-
нерную систему, создание и функционирование которой направлено на обеспе-
чение заданных режимов эксплуатации объектов. Энергетическая система, как
известно, может быть использована для отопления и охлаждения здания, а так-
же для энергоснабжения размещенных в здании приборов и установок. Условия
и цели строительства объекта формируют систему требований к энергетической
системе здания (рис. 10.3). Экологические требования реализуются как не-
посредственно при создании энергетической системы, так и опосредованно при
создании условий ее эксплуатации.
Проблема энергообеспечения зданий может быть рассмотрена либо исклю-
чительно в рамках объема одного здания или их концентрированной на терри-
тории группы, либо как часть энергетической, экологической или социальной
программы. Второй путь представляется более продуктивным. При этом следует
подчеркнуть, что экологическую проработку проблемы энергообеспечения зда-
ний нужно выполнять не для каждого отдельного проекта, а для отрасли, охва-
тывая в территориальном масштабе регион, природную зону или другую выде-
ленную территорию.
Экологические последствия применения в зданиях тех или иных энергетиче-
ских систем необходимо рассматривать с учетом комплекса явлений, наблюдаю-
щихся при получении, передаче и использовании в здании энергии. Эти явления
прежде всего определяются типом энергетической системы (рис. 10.4). Сово-
купность экологических принципов инженерного проектирования и экологи-
ческих требований к инженерным системам составляет основное содержание
экологизации проектирования. Основная цель этого процесса — охрана при-
роды.
Актуализация природоохранной тематики вызвала появление новых научных
направлений и новых дисциплин. Одной из них является экология города (неко-
торые авторы используют неправильный термин «градостроительная экология»;
экология — единая и неделимая наука, но имеющая различные аспекты рас-
смотрения в зависимости от предметной области исследований). Выделение
города как самостоятельного объекта в окружающей среде экология использует
для исследования наиболее важного звена техносферы. Экология города — это
научное направление, изучающее закономерности взаимодействия размещен-
ного в городе общества и окружающей среды. Появление этого нового научного
направления связано с экологизацией науки. Экология города находится на
стыке фундаментальных исследований биосферы и прикладных природоохран-
350
Рис. 10.2. Динамика развития техносферы (ди-
намики заполнения «экологических ниш» ант-
ропогенными структурами). Черным цветом
показаны уровни, освоенные в глобальном
масштабе в ходе развития антропогенной дея-
тельности
Рис. 10.3. Требования к энергетическим систе-
мам зданий
Рис. 10.4 Классификация энергетических
систем зданий
ных работ, проводимых в локальных условиях отдельного населенного пункта.
В широком смысле экология города включает изучение отношений живых орга-
низмов между собой в городе, особенности образования ими сообществ, разви-
тие и взаимодействие сообществ живых организмов, роль природных условий
в развитии живого в городе, связи между живыми сообществами и окружающей
средой в городе и последствия воздействия на окружающую среду антропоген-
ной деятельности.
Экология города является научной основой рационального природопользо-
вания и охраны живых организмов в городе. Поэтому одним из результатов эко-
логических исследований является система требований к антропогенным систе-
мам, удовлетворение которым должно способствовать развитию жизнедеятель-
ности. При проектировании экологические требования реализуются на различ-
351
Разработка экологических моделей
и прогнозов
Территориальная комплексная схема
охраны природы
Рис. 10.5. Последовательность решения природоохранных задач на различных масштабных уров-
нях проектирования
ных стадиях проектных работ в виде разделов охраны окружающей среды
(рис. 10.5). Однако отсутствие системных экологических исследований города
снижает уровень природоохранных разделов проектных работ, делает их всего
лишь статистическим материалом, отражающим динамику промышленных
выбросов, но не содержащим научно обоснованных предложений по рациона-
лизации природопользования и аргументации проектных решений.
Город как антропогенная система включает в себя элементы, номенклатура
и связи которых сформировались в процессе многовекового опыта градострои-
тельства. Наряду с ними существуют элементы природной среды. Природное
и антропогенное в совокупности характеризуют городскую среду, имеющую
352
Рис. 10.6. Природоохранные условии и требования к результатам проектирования в зависимости от
масштаба работ и тематической направленности природопользования
определенные типологические качества и индивидуальные показатели, присущие
каждому конкретному городу с учетом природно-климатической зоны.
Для природных процессов района, где размещен город, характерны опреде-
ленные закономерности развития. Ведущаяся в городе антропогенная деятель-
ность влияет на ход этих процессов. Задачами научных исследований являются
выявление специфики и закономерностей природных процессов, а также направ-
лений и возможных объемов воздействия антропогенных факторов на природные
процессы, оценка ожидаемых изменений в динамике природных процессов под
воздействием антропогенных факторов и разработка принципов (ограничений)
антропогенной деятельности.
Опыт природоохранных исследований показывает, что построение системы
экологических требований к объектам территориально-планировочных работ,
а также собственно к проектированию происходит по иерархической схеме,
отражающей различные масштабные уровни проектирования. Этот принцип
заложен в разрабатываемые в настоящее время территориальные комплексные
схемы охраны природы. Иерархическая схема экологических требований, имея
на первом наиболее генерализованном уровне общегосударственные системы
расселения, на детальных уровнях содержит требования к отдельным объектам
и зданиям. Системное рассмотрение требований позволяет учесть не только ин-
дивидуальные характеристики того или иного объекта, но и его место в город-
ской среде, в природной ситуации в целом.
Система построения экологических требований к объектам техносферы
показана на рис. 10.6, а классификация зданий по потреблению энергии — на
рис. 10.7.
353
Рис. 10.7. Классификация зданий по потребле-
нию энергии
Рис. 10.8. Структура производства энергети-
ческих ресурсов в СССР (в % общего объема)
в 1985 г.
а — нефть; б — газ; в — уголь; г — прочие;
д — АЭС, е — ГЭС
Рис. 10.9. Классификация способов и уловий
энергообеспечения зданий с использование и
традиционных энергетических источников
10.3. Экологическая характеристика традиционных
энергетических систем зданий
Энергетические системы зданий характеризуются различными показателями.
Структура этих показателей иллюстрируется диаграммой (рис. 10.8) и класси-
фикатором (рис. 10.9). Для более детального рассмотрения экологических по-
казателей выделим четыре области природоохранной деятельности (охрана
водных ресурсов, атмосферы, почвы и недр, растительного мира) и проследим,
в каком объеме сказывается на них негативное воздействие традиционных энер-
гетических систем.
354
Экологические последствия энергетики, как и любой другой антропогенной
деятельности, проявляются в виде разлагаемых или неразлагаемых загрязнений
окружающей среды. Одни загрязнители, например бытовые сточные воды, от-
носительно быстро разлагаются с помощью бактерий, другие — например шум,
рассеиваются практически мгновенно, третьи, например ядохимикаты, сущест-
вуют в окружающей среде продолжительное время.
Загрязнения энергетических систем относят к точечным, источник которых
представляет собой локализованный в географическом пространстве объект.
Природные среды выступают в виде каналов, по которым происходит распро-
странение загрязнений. Следовательно, динамика и интенсивность распростра-
нения загрязнений зависят не только от показателей работы источника выбро-
сов, но и от природно-климатических характеристик района деятельности энер-
гоустановки. Загрязнение одной из природных сред неизбежно приводит к изме-
нению экологической ситуации в целом и изменению состояния других природ-
ных сред. Однако поступление, концентрация, распространение и рассеяние
(разложение) загрязнителей в каждой из природных сред имеют свою специ-
фику.
Энергетика — одна из наиболее заметных по выбросам в природную среду
отраслей народного хозяйства. При изучении экологических последствий энер-
гетической деятельности наряду с дифференцированием по природным средам
раздельно рассматривают теплоэнергетику, атомную и ядерную энергетику
и гидроэнергетику.
В атмосферу попадает большое число загрязнителей. Наибольший ущерб
для природной среды и здоровья людей приносят оксид углерода, диоксид серы,
оксиды азота, углеводороды и взвешенные механические частицы. При загрязне-
ниях воздушного бассейна может наступить нарушение состояния здоровья
людей от простого раздражения до летальных исходов (например, известные
случаи массового отравления людей в результате смога в Лондоне). Во многих
случаях загрязнение воздушного бассейна приводит к экологическому стрессу,
который понижает порог противодействия организма другим болезням.
Расселение (размещение жилья, промышленных и транспортных сооружений
на поверхности Земли) является главным процессом, характеризующим расши-
рение и усложнение техносферы. В ходе этого процесса происходит функциони-
рование промышленности, транспорта и населенных мест в целом, наблюдаются
качественные изменения в технологии производств и т. д.
Антропогенная деятельность связана со значительными выбросами техноло-
гических отходов в окружающую среду. Так, поступление в атмосферу аэрозолей
характеризуется следующими значениями (в млн. т ежегодно): морская соль —
650; почвенная пыль — 300; вулканы — 80; лесные пожары — 75 (естественные
источники); сжигание угля — 22; сжигание других материалов — 8; металлур-
гия и другие отрасли промышленности — 10; сельское хозяйство — 5; индуст-
рия — 5 (антропогенные источники). Таким образом, антропогенные источники
поступления аэрозоля с точки зрения загрязнения окружающей среды сравнимы
с источниками естественного происхождения.
По данным Европейской экономической комиссии ООН в 1975 г. выбросы
в атмосферу сернистого ангидрида от стационарных источников составили
в странах региона 97 млн. т. Результаты загрязнения атмосферы сернистым ан-
гидридом сказываются не только на здоровье людей: «кислые» дожди вызывают
усиленную коррозию металлических конструкций, ухудшают аграрные условия,
изменяют микроклимат территорий. Таким образом, стремление промышлен-
ности вывести выбросы как можно выше в атмосферу не дало ожидаемого
эффекта: дымящие трубы ФРГ вызвали обострение проблемы охраны природы
в Скандинавских странах. Это явилось следствием недооценки естественных
закономерностей формирования условий окружающей среды, отсутствия систем-
355
ных разработок в области экологического обоснования развития промышлен-
ности.
В зависимости от вида загрязнителей различают химическое, механическое,
биологическое, тепловое и радиоактивное загрязнение водоемов. При небольших
сбросах загрязнителей в водоем происходит временное снижение содержания
растворимого кислорода в воде с последующим его восстановлением. При пре-
вышении некоторого допустимого уровня загрязнения процесс разложения
органических веществ может привести к истощению растворимого кислорода.
Большинство неразлагаемых загрязнителей растворяются и осаждаются в воде,
их накопление в больших объемах делает водоем непригодным для жизни.
Стойкие синтетические органические вещества придают воде неприятный запах.
Загрязнение растительности и почвы может происходить как непосредствен-
но в зоне контакта источника выбросов с природной средой, так и при распро-
странении загрязнителей воздушным и водным путями. В последнем случае
в окрестностях энергетических станций и крупных промышленных объектов
наблюдаются увядание растительности, видовая смена насаждений, изменения
структуры и гумусности почвы.
Интересные результаты получены при анализе космических снимков крупных
городов США. Обнаружены «тепловые острова» в воздушном бассейне городов,
свидетельствующие об интенсивном тепловом загрязнении окружающей среды
выбросами промышленности. Проведенные автором совместно с сотрудниками
лазерно-локационные исследования воздушного бассейна ряда городов евро-
пейской территории страны показали наличие «шапок» антропогенного аэрозо-
ля, а также корреляцию между выделенными по космическим снимкам областя-
ми загрязненной атмосферы и концентрациями измеренных с помощью лидара
загрязнителей. Данными экспериментами было еще раз показано, что изменения
радиационных условий в городе и качественное состояние окружающей среды
отражают единый сложный процесс жизнедеятельности города. Эти известные
и ранее данные благодаря космическим снимкам стали изучаться как региональ-
ное явление, характерное для крупных городов и городских агломераций. Стало
возможным, применяя повторные съемки, контролировать динамику «тепловых
островов» в зависимости от изменения естественных и антропогенных условий.
В особенности полезными для проектирования оказались данные о границах
«тепловых островов», их связи с конкретной планировочной ситуацией, разме-
щением промышленных предприятий, орографией местности и климатом города.
Уголь, нефть, газ и торф являются в СССР основным источником получения
энергии. Необходимость снижения потребления нефти в энергетике продиктова-
на не только экологическими, но и экономическими аспектами. Нефть и другие
виды органического топлива — ценное сырье для промышленности.
При сжигании топлива в энергоустановках в атмосферу выбрасываются
диоксид углерода СО2 и водяной пар Н2О, а также продукты неполного сгорания
топлива — оксид углерода, сажа, углеводороды, в том числе канцерогенный
бенз (а) пирен С2оН)2, несгоревшие частицы твердого топлива, зола и прочие
механические примеси, оксиды серы SO2 и SO3, азота NOX и свинца РЬО. В осо-
бенности большое количество воды и диоксида серы обнаруживается при сжига-
нии твердого топлива (так, например, подмосковные угли имеют в своем составе
2,5—6% серы и до 30—50% золы). При сжигании мазута в дымовых газах со-
держатся оксиды азота, соединения ванадия и натрия, газообразные и твердые
продукты неполного сгорания. При сжигании неочищенного природного газа
образуются диоксид серы и оксиды азота. Наибольшее количество оксидов азота
выделяется при сжигании жидкого топлива.
Теплоэлектростанция мощностью 2,4 млн. кВт расходует до 20 тыс. т угля
в сутки и выбрасывает ежесуточно в атмосферу 680 т SO2 и SO3 при содержании
серы в топливе 1,7%, 200 т оксидов азота, 120—240 т твердых частиц (зола,
пыль, сажа) при эффективности системы пылеулавливания 94—98%. Все вы-
356
Таблица 10.1. Гигиеническая характеристика выбросов энергетических станций
Состав выбросов Предельно допустимая концентрация, мг/м3 Последствия воздействия высоких концентраций
максимальная разовая средне- суточная иа здоровье людей
Оксид углерода СО (бес-
цветный, без запаха)
Диоксид серы SO2 (бес-
цветный, с острым запа-
хом)
Бенз(а)пирен
Оксиды азота NOX (бес-
цветные, без запаха)
5,0 3,0 Действие на нервную и сердечно-сосудистую системы. Вызывает удушье (соединяется с ге- моглобином крови, который становится неспо- собным переносить кислород к тканям)
0,085 0,085 Очень ядовиты. Раздражающе действуют на органы дыхания. Взаимодействуя с углеводо- родом. образуют в городе смог. При повыше- нии концентрации возникают кашель, рвота, иногда головная боль, отек легких
0,5 0,05 В малых концентрациях создает неприятный вкус во рту. Раздражает слизистые оболочки
глаз и дыхательные пути
0,1 мкг/ЮОм'5 Наркотическое действие. В малых концентра-
циях снижает активность, вызывает головную
боль, головокружение, в больших — приводит
к возникновению злокачественных опухолей
Альдегиды
Раздражают слизистые оболочки глаз и дыха-
тельных путей
Атмосферная пыль
0,15—0,5 0.05—0.15 Воздействует на слизистые оболочки и органы
дыхания
бросы энергетических станций нормируются, так как превышение их допустимых
концентраций вызывает заболевания (табл. 10.1).
Несмотря на указанные выбросы загрязняющих веществ, теплоэлектростан-
ции продолжают проектировать и строить. Это объясняется высокой экономич-
ностью теплоэлектростанции, особенно в районах дешевых низкосортных углей,
в том числе добываемых открытым способом. Примером может служить Экиба-
стузское месторождение, на базе которого размещаются несколько электростан-
ций большой мощности.
Эффективным путем решения энергетических проблем с соблюдением эколо-
гических требований является развитие безотходных технологий. В комплекс
мероприятий по их обеспечению входят: создание и внедрение новых процессов
получения продукции с образованием наименьшего количества отходов; раз-
работка различных типов бессточных технологических систем, энергоустановок
и водооборотных циклов с использованием очистки сточных води выбросов; раз-
работка систем переработки отходов производства во вторичные материальные
ресурсы; создание территориально-промышленных комплексов, имеющих
замкнутую структуру материальных потоков сырья и отходов внутри комплекса.
Внедрение безотходной технологии позволяет одновременно решать пробле-
мы развития промышленности и энергетики. Однако реализация программы
безотходной технологии в масштабах всего народного хозяйства требует боль-
ших затрат, а также проведения дополнительных проектных и исследователь-
ских работ, осуществить которые одновременно весьма сложно. Поэтому наряду
с внедрением безотходной технологии проводятся мероприятия по ограничению
выбросов и их распространению в окружающей среде, для чего используются
следующие способы: совершенствование технологических процессов и разработ-
ка нового оборудования, обеспечивающего пониженное загрязнение окружаю-
щей среды; замена неутилизируемых отходов на утилизируемые; замена токсич-
357
ных отходов на нетоксичные; применение пассивных методов защиты окружаю-
щей среды.
Пассивные методы защиты окружающей среды позволяют ограничить вы-
бросы промышленности и энергетики с последующей утилизацией или захороне-
нием отходов. К их числу относится очистка сточных вод и газовых выбросов от
вредных примесей, рассеивание вредных выбросов в атмосфере, глушение шума
и снижение уровней инфразвука, ультразвука и вибрации на путях их распро-
странения, экранирование источников энергетического загрязнения окружаю-
щей среды, захоронение токсичных и радиоактивных отходов.
Важной задачей градостроительного проектирования является рациональ-
ное размещение источников загрязнений. При этом решаются следующие зада-
чи: вынесение предприятий промышленности и энергетики из крупных городов
и сооружение новых в малонаселенных районах, в окрестностях городов с не-
пригодными и малопригодными для сельскохозяйственного использования зем-
лями; оптимальное расположение промышленных предприятий с учетом топо-
графии местности и розы ветров; создание санитарных охранных зон вокруг
предприятий; рациональная планировка городской застройки, обеспечивающая
оптимальные экологические условия для человека и растений.
Разрабатываются и другие методы ограничения воздействий энергетики на
окружающую среду. Так, в 1960 г. был впервые предложен советским ученым
С. А. Христиановичем и запатентован в ряде стран метод предварительной гази-
фикации высокосернистых мазутов под давлением с последующей очисткой
полученного газа.
Ориентация теплоэнергетики на дальнейшее развитие поставила задачи
поиска «чистого» топлива, при сжигании которого атмосфера не загрязняется
частицами пыли, соединениями серы, ванадием, мышьяком, оксидами азота,
канцерогенами и другими вредными веществами. Например, в качестве топлива
можно использовать водород. При сжигании чистого водорода в кислороде об-
разуются только водяные пары; в воздухе продукты сгорания состоят в основном
из смеси водяных паров и инертного азота. Ведутся поиски экономичного пути
получения водорода.
Применение на теплоэлектростанции парогазовой установки сокращает
площадь электростанции, не требует использования охлаждающей воды. По-
скольку при этом возможен переход к новой схеме получения энергии без замены
оборудования, данный способ можно считать эффективным для решения эколо-
гической проблемы.
Следует назвать еще один перспективный путь развития теплоэнергетики —
путь, исключающий паровую турбину. Широкие перспективы не только в повы-
шении эффективности работы теплоэлектростанций, но и в уменьшении тепло-
вого загрязнения окружающей среды имеет магнитодинамический способ не-
посредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.
Современное энергетическое оборудование позволяет использовать полез-
ную теплоту лишь на 40%. В печах промышленных предприятий этот показатель
еще ниже, что объясняется главным образом отсутствием оборудования для
утилизации газов. На отдельных промышленных предприятиях внедряются раз-
личные системы утилизации газов, позволяющие повысить энергетическую
эффективность работы оборудования. На Московском автомобильном заводе
им. Ленинского комсомола от печей кузнечного цеха продукты сгорания отво-
дятся по специальным трубам; проходя через систему змеевиков, они нагревают
воду, которая зимой используется для отопления, а летом — для горячего водо-
снабжения. В литейном цехе Брянского машиностроительного завода внедрен
метод вторичного использования ваграночного газа, имеющего температуру
до 500°С и содержащего большое количество вредного угарного газа; приме-
ненная установка позволяет дожигать угарный газ (т. е. очищать ваграночный
газ), а нагретый воздух подается на дутье в вагранку.
358
Не только промышленность и жилье, но и другие агрегаты — потребители
энергии используют энергию теплоэлектростанций. Так, в комплексе с тепло-
электростанциями могут работать дистилляционные опреснительные установки.
Несмотря на большие объемы воды на планете, многие государства постоянно
испытывают недостаток в пресной воде: морская вода, содержащая много
растворенных минеральных веществ, непригодна для питья и некоторых техно-
логических процессов. Для решения этой проблемы применяются опреснители.
Однако использование теплоэлектростанций не удовлетворяет исследователей:
ведутся поиски экологически безвредных способов опреснения морской воды,
одним из которых является электрохимический метод опреснения (электро-
диализ) с использованием возобновляемых нетрадиционных источников энер-
гии. Ведь еще в далекой древности из воздуха добывали влагу — одно из таких
сооружений обнаружено возле Феодосии на склоне горы Ten-Оба; такие же
водопроводы найдены в Керчи и Евпатории. А в 1872 г. в Чили была построена
первая крупная гелиоопреснительная установка, непрерывно проработавшая
36 лет.
На развитие и размещение объектов энергетики в немалой степени оказывает
влияние география потребителей энергии и месторождений энергетических
ресурсов. На европейской части страны сосредоточено 4/5 всего населения,
в восточных районах 1/5 населения проживает на 4/5 территории всей страны.
Антропогенная нагрузка на природные комплексы на востоке пока ниже, чем
в европейской части, зато в них и более низкая способность природы к самоочи-
щению. Поэтому развитие промышленности в восточных районах страны повы-
шает требования к экологически безвредным технологиям и способам получения
энергии. В связи с этим все большее внимание в энергетике страны уделяется
гидроэлектростанциям.
СССР занимает первое место в мире по запасам гидроэнергетических ресур-
сов, но используется пока всего 17%, из них 41% в европейской части страны
и менее 3% — в Сибири и на Дальнем Востоке. В то же время Канада использо-
вала 70% своих гидроэнергоресурсов, Швеция — 77%, Франция — почти
полностью.
Вырабатываемая на гидроэлектростанциях энергия не связана с выбросами
в окружающую среду. Однако строительство ГЭС сопровождается большими
временными и материальными затратами на изменение природных условий
в районе строительства и сооружений гидротехнических объектов, а также свя-
зано с существенным нарушением экологических условий.
В СССР осуществлено массовое строительство ГЭС на равнинных реках
с большими поверхностями затопления на единицу годовой выработки электро-
энергии. При этом из сельскохозяйственного и других видов землепользования
изъяты большие полезные площади. В районах ГЭС особенно остра проблема
мелководий, режим обводнения которых избирается исходя из промышленных
нужд энергетики и противоречит экологическим ритмам развития растительного
покрова на них.
Будущее энергетики неразрывно связано с развитием атомной, а в перспек-
тиве— термоядерной энергетики. В настоящее время на атомных электростан-
циях преимущественно используются реакторы на тепловых нейтронах. Даже
прн существующих планах развития промышленности на Востоке страны в бли-
жайшее десятилетие большая часть потребляемой энергии будет приходиться
на европейскую часть СССР. Это явилось основой для ориентации советской
энергетики на опережающее развитие атомной энергетики. СССР активно уча-
ствует в работах по совершенствованию конструкций АЭС, повышению безопас-
ности их работы и снижению загрязнений окружающей среды. Выступая в
январе 1987 г. перед журналистами в пресс-центре МИД СССР, Генеральный
директор МАГАТЭ X. Блике сказал, что международное сотрудничество в этой
359
области по инициативе СССР вступило в новый этап. Разработаны две между-
народные конвенции, СССР одним из первым ратифицировал их.
АЭС значительно меньше загрязняют атмосферу, чем теплоэлектростанции.
Образующиеся сточные воды подвергаются очистке. Сопоставление результа-
тов влияния на экологические условия АЭС и теплоэлектростанций показывает,
что последние загрязняют объемы воздуха, в сотни и тысячи раз большие, чем
атомные электростанции (табл. 10.2). АЭС не влияет на содержание кислорода
и углекислого газа в атмосфере, не изменяет химического состава атмосферы,
гидросферы и почвы. Радиационная обстановка в районе АЭС может стать
угрожающей для организмов только в результате аварии, поэтому комплекс
технических мероприятий по предотвращению аварий может рассматриваться
как важнейшее природоохранное средство.
Таблица 10.2. Объем воздуха, необходимый для снижения содержания
вредных выбросов АЭС и ТЭС мощностью 1000 МВт до ПДК '
Тип электростанций Примесь Мощность выброса ПДК или сдк Необходимый объем
ТЭС на угле SO2 (3,5% S) 1,4 • 10* 8 кг/год 80 мкг/м3 1,8 10^
Аэрозоли (золь-
ность 15%) 4,5 • 106 » 75 » 6,0- 10’
ТЭС иа нефти SO2 (1,6% S) 0,52 • 10“ » 80 » 6,6- 105
Аэрозоли (золь-
ность 0,05%) 0,72- 10° » 75 » 9,7 103
ТЭС на |азе SO2 1,36 • 10“ » 80 » 170
Аэрозоли 0,45 1(Г » 75 » 6,0 • 10е
АЭС с реакторами на Радионуклиды
воде под давлением инертных газов 1,6 10’ » 3 • 103 пКи/м3 55
13 J । 0,15 » 100 » 1,5
' М. Эйзенбад. Радиоактивность внешней среды. — М.: Атомиздат, 1977.
Примерно половина тепловой энергии, возникающей в атомном реакторе,
удаляется с охлаждающими водами. Поэтому для АЭС актуальна проблема теп-
лового загрязнения водоемов. На крупных АЭС количество охлаждающей воды
достигает нескольких миллионов кубических метров в сутки. Тепловое загряз-
нение водоемов превышает биологическую продуктивность подогреваемой воды,
увеличивается количество взвешенных частиц, повышается окисляемость, цвет-
ность, снижается прозрачность воды, в водоеме создаются условия, благоприят-
ные для размножения патогенной кишечной микрофлоры.
В атомной энергетике ведутся разработки по созданию реакторов на быстрых
нейтронах, к.п.д. которых значительно выше, чем реакторов на тепловых нейт-
ронах. Однако их техническое решение сложнее, соответственно удельные капи-
таловложения на единицу мощности выше, чем для реакторов на тепловых ней-
тронах.
В термоядерных установках одним из основных компонентов «топлива»
является содержащийся в воде дейтерий. Создание первой термоядерной элек-
троустановки ожидается в первой половине XXI в.
В СССР существует комплекс законов, регламентирующих взаимоотношение
человека и природы. Соответствующая статья предусматривается и Конститу-
цией СССР: «В интересах настоящего и будущих поколений в СССР прини-
маются необходимые меры для охраны и научно обоснованного, рационального
использования земли и ее недр, водных ресурсов, растительного и животного
360
Рис. 10.10. Классификация и оценка нетрадиционных источников энергии
мира, для сохранения в чистоте воздуха и воды, обеспечения ниспроизводства
природных богатств и улучшения окружающей человека среды». В современных
условиях комплекс природоохранительных ограничений должен быть реализо-
ван через систему управления функционированием и развитием техносферы
в ходе проектных работ, решающих задачи строительства и реконструкции
жилья, объектов промышленности и транспорта.
Таким образом, при всем разнообразии способов получения энергии на
электростанциях и других энергоустановках, основанных на традиционных ви-
дах ресурсов, общим для них является интенсивное, возрастающее с увеличе-
нием объема получаемой энергии давление на окружающую среду.
10.4. Экологическая характеристика нетрадиционных энергетических систем
зданий
Энергетическая программа СССР наряду с ростом мощности источников
энергии предусматривает и решение задач по охране окружающей среды. На это
направлены, в частности, работы по использованию нетрадиционных источников
энергии (рис. 10.10).
361
Излучение Солнца — один из нетрадиционных источников энергии. Его пре-
имущества сегодня хорошо известны: доступность, практическая неисчерпае-
мость, отсутствие побочных, загрязняющих окружающую среду влияний. К не-
достаткам следует отнести низкую плотность и прерывистость поступления из-
лучения на поверхность Земли, зависимость его от метеорологических условий.
Основной задачей гелиоэнергетики является преобразование солнечного излу-
чения в электрическую энергию. Нагревание воды в коллекторах непосредствен-
но используется для отопления зданий без преобразования в другие виды
энергии.
Еще в 1770 г. швейцарский ученый О. Соссюр впервые вскипятил воду в пар-
нике, использовав конструкцию, которая позже получила название «горячего
ящика». В дальнейшем гелиотехнические устройства усложнялись и принимали
различное конструктивное оформление, составив к настоящему времени обшир-
ную отрасль всевозможных технических схем и проектов. Поворотным этапом
в гелиоэнергетике стало создание в 30-е годы Б. Т. Коломийцем и Ю. П. Масло-
ковцем в Ленинградском физико-техническом институте серноталлиевых фото-
элементов с рекордным для того времени к.п.д., равным 1%. Одна из современ-
ных гелиоэнергетических программ — японская программа «Солнечный свет»—
предусматривает достижение к 2000 г. уровня обеспеченности потребителей
энергией за счет солнца, равного 70%.
Для уменьшения зависимости работы гелиоэнергетических устройств от
метеоусловий применяют новейшие методы анализа и прогноза состояния
облачности. Съемки с геостационарных спутников территории Европы и Север-
ной Америки используются для индикации наличия облаков и оценки их про-
зрачности на основе данных об отражательной солнечной радиации, синхронно
со спутниковыми съемками ведутся наземные исследования. Отклонения средне-
месячных сумм, восстановленных по спутниковым данным и полученных путем
синхронных наземных измерений, составили всего лишь 0,25—0,28 кВт- ч/м2
для территории 25X25 км2. Для теоретического анализа отражательных функ-
ций слоистых и кучевых облаков был применен метод Монте-Карло; получен-
ные результаты показали связь отражательной функции с характером облач-
ности.
В будущем предполагается еще более ограничить контакт гелиоэнергетиче-
ских установок с биосферой Земли и вынести их в околоземный космос. По дан-
ным перспективных разработок Комитета по космосу ООН к 1990 г. намечено
решить технические и экологические проблемы, связанные с созданием спутни-
ковых солнечных электростанций. В 1990 г. предполагается построить опытный
образец, а с 2005 г. начать строительство промышленных образцов, число ко-
торых для Европы к 2030 г. может достигнуть 40, причем они смогут обеспечи-
вать около 20% потребности в электроэнергии. По современным оценкам, стои-
мость строительства одной наземной станции приема энергии со спутниковой
солнечной электростанции составит около 5,5 млрд. дол. Следует отметить, что
строительство спутниковых электростанций, использующих солнечную энергию,
может причинить ущерб окружающей среде в процессе передачи энергии на
Землю.
Другим нетрадиционным источником энергии является теплота земных недр.
В 1894 г. итальянец Фердинандо Райян применил паровую машину для преобра-
зования энергии фонтанирующего источника геотермальной воды. А в 1914 г.
в Лардерелло (к юго-западу от Флоренции) для выработки электроэнергии был
использован гейзер. Длительное время к проблеме использования геотермаль-
ных вод обращались лишь одиночные специалисты и энтузиасты. Только в 60-е
годы появились первые комплексные разработки в этой области.
Известно, что температура Земли повышается в среднем на один градус че-
рез каждые 30 м. Однако существуют районы, где горячая природная вода рас-
полагается ближе к поверхности, чем в среднем на Земле. К таким районам от-
362
носятся Северный Кавказ, Ставрополье, Прикумская низменность, Западная
Сибирь, Средняя Азия, Литва. Выявление таких районов, правильная оценка
геотермальных гидроресурсов — важная задача геологических и геофизических
изысканий.
В других районах на поверхности Земли уже существуют естественные источ-
ники подземных горячих вод. Так, на Камчатке использование одного из таких
источников позволяет уже сегодня получать на Паужетской геотермальной стан-
ции электрический ток. Проектируется строительство геотермальных электро-
станций в Ставрополье, Закарпатье, Дагестане и других районах страны. По
данным Института земной коры СО АН СССР, на участке БАМа от Байкальско-
го хребта до р. Бурей природными водами выносится на поверхность теплота,
равная по теплоте сгорания 150 тыс. т высококачественного угля. Перспектив-
ными для отопления геотермальными водами являются города Нижнеангарск,
Кичера, Уоян, Янчукан, Северомуйск, Чара, Зейск, Бомнак. Температура при-
родных вод Окусиканского месторождения Бурятского участка БАМа состав-
ляет 80—100° С. Они отапливают теплицу и используются на объектах рекреа-
ционной зоны.
К началу 80-х годов в СССР геотермальная вода, получаемая из 170 сква-
жин, обогревала 4500 квартир, 50 га теплиц, производила 16 млн. кВт* ч элект-
роэнергии. Комплексное использование геотермальных ресурсов осуществляет
научно-производственное объединение «Союзбургеотермия». В тепличном ком-
бинате г. Грозного действует первая в стране термоциркуляционная система.
После использования в теплицах вода подается в накопитель, куда сходятся
сбросовые коллекторы. Затем вода нагнетается на глубину 1000 м под давлением
15 ат (1,5 МПа), где она опять нагревается.
Из зарубежных работ заслуживает внимания опыт Исландии, являющейся
пока единственным государством, в больших масштабах использующим геотер-
мальные воды для отопления и горячего водоснабжения, в результате чего стра-
на полностью отказалась от ввоза нефти и угля. Интересный проект реализован
в Милане: теплая вода из подземного озера с температурой около 70° С идет на
обогрев почти 2000 квартир. Здесь также действует термоциркуляционная си-
стема: горячая вода поднимается под собственным давлением, а остывшая после
использования энергии заканчивается обратно по другой скважине, чтобы не из-
менялся уровень воды в скважине. В Венгрии, Исландии, Англии построено мно-
го открытых плавательных бассейнов, где используется геотермальная вода.
Опыт эксплуатации геотермальных источников показал, что отрицательные
для природной среды последствия связаны с содержащимся в паре сероводо-
родом, который во время энергетического цикла частично превращается в чис-
тую серу и сульфит, а большая его часть выбрасывается в атмосферу из гради-
рен и газовых эжекторов. Сероводород обладает неприятным запахом и может
вызвать коррозию оборудования. Конденсирующийся в градирне пар сбрасыва-
ется в виде раствора, содержащего соединения бора, аммиак, бикарбонаты,
сульфаты и тонко измельченную серу. Успешно применяется закачка сбросных
вод в бассейн через непродуктивные скважины. Путем выпаривания удается по-
лучить некоторые полезные вещества.
Освоение Сибири и Дальнего Востока связано с прокладкой теплосетей в зо-
не вечной мерзлоты. При использовании в этих районах гелиосистем и геотер-
мальной энергии затраты на строительство и поддержание эксплуатационного
состояния инженерных систем значительно ниже по сравнению с традиционными
способами энергоснабжения зданий.
Погода и климат на Земле во многом определяются количеством приходящей
к атмосфере и поверхности Земли солнечной энергии. Одной из наиболее важных
характеристик погоды и климата является ветер. Неравномерность нагрева от-
дельных участков земной поверхности приводит к появлению районов с относи-
тельно большим и меньшим давлением, между ними происходит движение воз-
363
Таблица 10.3. Биоэнергетические
направления работ в народном хозяйстве
Мероприятия и современное
состояние
Ожидаемый эффект
В 1990—2000 гг. наме-
чено построить не-
сколько сот свиноком-
плексов с годовым от-
кормом многих мил-
лионов свиней. Общий
выход жидкого навоза
составит в год десятки
миллионов кубических
метров
Намечено построить
многие сотни комплек-
сов крупного рогатого
скота с откормом бо-
лее 4,5 млн. голов
Из жидкого навоза
можно получить до
1,5 млрд. м3 биогаза,
что эквивалентно
I млн т условного топ-
лива. Дополнительно
при этом можно полу-
чить высококачест-
венные удобрения
Городские стоки обра-
зуются в большом объ-
еме во всех районах
страны. Только в 1980 г.
на их обеззаражива-
ние израсходовано
около 180 млн. руб.
Благодаря реализации
отходов путем биоло-
гической конверсии
можно получить до-
полнительно более
4 млн. т условного топ-
лива. Дополнительно
можно получить удоб-
рения
Применение методов
анаэробной фермента-
ции снизит затраты на
очистку стоков и даст
возможность получить
до 2 млрд, м3 метана
и удобрения
душных масс. Перемещение и перемеши-
вание воздуха, перенос примесей в воз-
душном бассейне, обмен теплотой, влагой
и энергией между подстилающей поверх-
ностью и атмосферой, перенос воздушных
масс в системе общей циркуляции атмо-
сферы происходят благодаря ветру. Для
процессов в биосфере характерны также
стихийные явления, порожденные ветром,
нередко приносящие народному хозяйству
значительные убытки: эрозия почвы,
пыльные бури, волнения на водоемах, ура-
ганы и бури. Поэтому характеристика вет-
ровых условий представляет интерес не
только для энергетики, но и для сельского
хозяйства, транспорта, коммунального хо-
зяйства и других отраслей народного хо-
зяйства.
В ветроэлектрическом агрегате основ-
ным рабочим органом является ротор, при-
водящий во вращение через механическую
передачу генератор трехфазного перемен-
ного тока. В СССР разработаны и прошли
испытания серии агрегатов типа «Цик-
лон», различающиеся числом и диаметром
лопастей, вырабатываемой мощностью и
областями использования. Ветроэнергети-
ческие опреснительные установки, создан-
ные в начале 70-х годов в Истринском от-
делении Научно-исследовательского ин-
Количество твердых Будет ускорен пере-
бытовых отходов в ход на использование
особенности велико в твердых бытовых отхо-
крупных городах дов путем строительст-
ва мусоросжигатель-
ных установок с паро-
выми котлами. В пер-
спективе возможен пи-
ролиз их с получением
газа, а также ценного
химического сырья
Отходы древесины: на При переработке вме-
технологические цели сте с энергией возмож-
нспользуется 55—60% но получение этило-
общего количества, вого спирта
Остается на лесосеках
или сжигается ежегод-
но 35—40 млн. м3
пней, корней, сучьев,
мелких веток и коры
Годовые энергетические ресурсы
кВт- ч, включая энергию, которую к
на различных глубинах, разности солености в устьях больших рек, использова-
ния приливов, ветровых волн и течений.
Энергетическая программа предусматривает создание материально-техни-
ститута электромеханики, установлены
в хозяйствах побережья Каспия, Молда-
вии и других районах, дают положитель-
ный экономический эффект и не загряз-
няют окружающую среду.
Энергию приливов пытались использо-
вать еще древние греки: в узком проливе
Эврипос, возле острова Эвбея, были по-
строены водяные мельницы. В 60-е годы
появились первые приливные электростан-
ции вблизи французского города Сен-Ма-
ло и на побережье Баренцева моря — в
Кислой губе. Сейчас разработано множе-
ство проектов создания приливных элект-
ростанций, использования океанических
течений, накоплен опыт эксплуатации не-
многочисленных созданных для этих целей
станций в СССР, США, Франции.
Мирового океана оцениваются в 100 трлн,
ожно получить за счет разницы температур
ческой базы для еще одного нетрадиционного способа получения энергии —
энергии биомассы. Общее количество ежегодно образующейся биомассы на Зем-
364
ле в несколько раз превышает суммарную годовую добычу в мире угля, нефти
и газа. Биомассу можно использовать в энергетических целях путем сжигания
или с помощью переработки с получением спиртов и биогаза.
Биомасса — это совокупность всего объема веществ растительного и живот-
ного происхождения, продукты жизнедеятельности и органические отходы, об-
разующиеся в процессе их переработки. Ее общее количество огромно, и даже
на современном уровне технологии переработки она может обеспечивать энер-
гией человечество в течение многих десятилетий. Современной науке известны
два основных направления получения топлива из биомассы: с помощью термохи-
мических процессов или методом биотехнологической ее переработки. Особен-
ностью этого энергетического направления является не только снижение уровня
загрязнения окружающей среды за счет безвредной технологии трансформации
биомассы в энергию, но и очищение окружающей среды, концентрация и пере-
работка отходов промышленности и жизнедеятельности, обычно загрязняющих
места расселения людей (табл. 10.3).
В СССР накапливается опыт строительства и эксплуатации предприятий
биоэнергетического профиля в Латвии, Эстонии, Московской и Запорожской
областях, Туркмении и других районах. В развитии этого научно-практического
направления заинтересованы специалисты Минсельхоза СССР, Главмикробио-
прома, Минмясомолпрома СССР, Минпищепрома СССР, Минлесбумпрома
СССР и других ведомств.
Анализ основных параметров нетрадиционных источников энергии показы-
вает, что по многим показателям нетрадиционные источники энергии экологиче-
ски более выгодно применять для горячего водоснабжения и отопления, а в не-
которых случаях и для охлаждения зданий. В то же время экономически не всег-
да выгодно исключать из энергосистемы традиционные источники. Очевидно,
совершенствование конструкций систем энергоснабжения зданий позволит по-
высить экономическую эффективность использования нетрадиционных источни-
ков энергии.
10.5. Экологические показатели и критерии
проектирования энергоактивных зданий
На основе анализа современного опыта строительства и эксплуатации энер-
гоактивных зданий разработана система экологических показателей для выбора
проектного решения и оценки его при проектировании энергоактивных зданий.
Показатели имеют универсальный характер и не зависят ни от технических осо-
бенностей энергетической системы, ни от района строительства, ни от типа ис-
пользуемого источника энергии.
Условия площадки строительства. Эти условия в большой степени влияют на
экономические и экологические показатели функционирования энергетической
системы. Прежде всего выбирают наиболее короткий путь теплоносителя, если
предусмотрена передача его от стационарного источника (например, геотер-
мальной скважины). Для других источников энергии имеет значение микрокли-
мат участка, степень закрытости его формами рельефа и растительностью, а так-
же инженерно-геологические условия. Размер выделенного участка влияет на
выбор метода организации строительных работ.
Ориентация здания. В общем случае ориентация здания влияет на его тепло-
технические характеристики. Для систем с гелиоустановками ориентацию зда-
ния выбирают так, чтобы обеспечить размещение на здании в заданном месте
приемника солнечного излучения, а для ветроэнергетических систем — башни
с ветрогенератором.
Тип энергетической системы. При выборе типа энергосистемы исходят из
365
конкретных условий строительства здания, объема и режима энергопотребле-
ния, а также наличия в районе строительства источников энергии.
Конструктивное оформление энергосистемы. Одна и та же энергосистема
может быть решена по-разному в зависимости от планировки здания, климати-
ческих условий, географического окружения здания и других факторов. При
проектировании, как правило, имеется возможность применять различные ва-
рианты энергосистемы.
Режим работы энергосистемы. Основным условием рациональной работы
энергосистемы является соответствие количества вырабатываемой энергии по-
требностям здания при наиболее экономичном решении энергосистемы. При на-
личии других источников энергии может возникнуть задача планирования рабо-
ты энергосистемы с целью наиболее благоприятного обеспечения потребителей
энергией. Такая ситуация может сложиться, например, при необходимости в оп-
ределенное время суток стабилизировать параметры энергообеспечения для ра-
боты аппаратуры, что может быть достигнуто путем подключения потребителей
к аккумулятору, показатели работы которого лучше по сравнению с ветрогене-
ратором.
Воздействие на природную среду. Несмотря на относительную экологическую
безвредность многих источников нетрадиционных видов энергии, в ряде случаев
приходится рассчитывать возможные последствия работы энергосистем. Это
относится в первую очередь к системам, использующим геотермальную энергию.
Рассмотренный комплекс показателей учитывается при проектировании на-
ряду с экономическими и эксплуатационными характеристиками применяемого
решения.
ПОСЛЕСЛОВИЕ
Процессы, происходящие в экономике, во многом определяются развитием
и совершенствованием энергетики. Интенсификация развития энергетики преду-
сматривает преобразование структуры производства и потребления топливно-
энергетических ресурсов путем всемерной и эффективной экономии органиче-
ского топлива различными способами, в том числе путем замещения его другими
видами энергии. Чрезвычайно важной становится правильность оценки исход-
ных позиций и реального масштаба технически и экономически обоснованного
применения возобновляемых источников энергии. Новые и возобновляемые ис-
точники энергии (НВИЭ) необходимо сопоставить как с традиционными энерго-
источниками, так и с глобальной энергетической альтернативой — промышлен-
ным освоением энергии термоядерного синтеза. Общую ресурсную энергетиче-
скую ситуацию в мире можно оценить следующим образом, трлн, т условного
топлива: горючие ископаемые — 11; радиоактивные ископаемые (уран для реак-
торов-размножителей— 8; дейтерий для термоядерного синтеза — 75- 109;
солнечная энергия—9- 102; энергия ветра—2; энергия воды—0,7; другие
источники энергии — 8- 104.
Ограниченная доступность и экономическая целесообразность применения
ряда энергоресурсов, а также конечная исчерпаемость ископаемых запасов ор-
ганических топлив ставят задачу экономного расходования невозобновляемых
источников и максимального вовлечения НВИЭ. К этому необходимо добавить
размеры экологического ущерба, ликвидация которого потребует, в свою оче-
редь, громадных энергетических затрат. Таковы долги, которые наряду с сокра-
щением запасов ископаемых топлив придется оставлять человечеству XXI в. При
этом следует учесть постоянный рост энергопотребления — за период с 1965
по 1980 г. энергопотребление в мире возросло в целом в 1,7 раза (в СССР в
1,9 раза).
Показателен рост потребления универсального вида энергии — электроэнер-
гии — на душу населения в среднем по странам мира. В 1980 г. среднее электро-
366
потребление на одного человека в мире составляло 1968 кВт- ч (в СССР —
более 4000 кВт- ч); прогноз на 2000 г. дает цифру 3000 кВт- ч при доле элект-
роэнергии в энергобалансе мира к тому времени 17—18%. При этом надо учесть,
что коэффициент преобразования первичных энергоресурсов в электроэнергию
не превышает 40%. Усугубляющими факторами являются потери 10% энергии
в электросетях, энергетическое несовершенство электроприемников, все более
широко применяющееся сжигание низкосортных углей на электростанциях.
Возобновляемые источники по абсолютным показателям дают весьма впечат-
ляющую картину — солнечная энергия при создании технически и экономически
приемлемых установок может покрыть все потребности человечества в энергии
практически без экологических последствий; энергия, получаемая от ежегодно
воспроизводимого на Земле объема биомассы, на порядок больше эквивалента
годовой добычи нефти; менее 1% энергетического потенциала ветроэнергии мо-
жет обеспечить половину мировой потребности в энергии. Однако сегодняшние
реалии рассматриваемой энергетической альтернативы на два и даже три поряд-
ка ниже общеоценочных возможностей.
Энтузиазму и видению энергетической перспективы ученых и разработчиков
зачастую противостоит основанный на сиюминутных конъюнктурных экономиче-
ских воззрениях скептицизм тех, кто принимает хозяйственные решения и опре-
деляет инвестиции на строительство или реконструкцию объектов.
Знаменитый советский архитектор академик И. В. Жолтовский писал: «Ва-
жен талант архитектора, но еще важнее талант заказчика». Исходя из того, что
необходимо проводить такую инвестиционную политику, которая в максималь-
ной степени отвечала бы интересам интенсификации народного хозяйства, мы
должны всемерно развивать и совершенствовать индустриальные методы ис-
пользования НВИЭ, сделать все необходимое для широкомасштабного приме-
нения солнечной, геотермальной, ветровой энергии, биогаза, новых энерготехно-
логий.
Уже сегодня при проектировании новых или реконструкции старых зданий
архитектору и конструктору необходимо с учетом энергетических целей сочетать
архитектурную выразительность и конструктивное совершенство с экономиче-
ским, экологическим и социальным аспектами. При этом энергетическая «акти-
визация» конструкций, элементов или здания в целом должна конкретно отра-
жаться на эксплуатационном топливно-энергетическом балансе здания (энер-
гетический вклад), а реальная (или расчетная в народнохозяйственном масшта-
бе) экономия энергии сопоставляется с дополнительными затратами на эти цели.
Достоверные прогнозы масштабов и перспектив применения различных
НВИЭ, рекомендации, которые могут даваться на основе таких прогнозов, долж-
ны основываться на системном анализе и сопоставительных оценках физиче-
ского потенциала, экономической и социальной целесообразности, приемлемо-
сти с экологической точки зрения, технологических и организационных пробле-
мах применения НВИЭ по отношению к традиционным источникам энергии или
их более совершенным модификациям на обозримый период, а также на сравне-
нии различных видов НВИЭ, их комбинаций друг с другом или традиционными
энергоисточниками.
Следует отметить, что до настоящего времени, как правило, изучались лишь
отдельные аспекты применения НВИЭ, а экономическая обоснованность их при-
менения (иногда недостаточно строго подсчитанная) в большинстве случаев слу-
жила главным критерием их жизненности. В ряде случаев доминирующими ста-
новились временные, конъюнктурные факторы и соображения. Развитие НВИЭ
и их роль в топливно-энергетическом балансе стран, регионов, отдельных райо-
нов завышалась или занижалась на основе чисто арифметических подсчетов.
Недостаточно определялись социально-экономические последствия применения
НВИЭ для народного хозяйства на долговременной основе.
Общие методологические принципы определения сравнительных преиму-
367
ществ различных НВИЭ должны, по нашему убеждению, базироваться на систе-
ме относительных и абсолютных показателей, имеющих целью определить:
роль, долю и перспективу применения различных НВИЭ в [лобальном и мест-
ном масштабах (регион, страна, район, населенный пункт, объект) в топливно-
энергетическом балансе;
эффективность применения НВИЭ в натуральном выражении (объем заме-
щаемого первичного топлива, вид этого топлива или энергии), при этом целе-
сообразно сравнение с замещением объема первичного топлива, пошедшего на
получение вторичного энергоносителя;
сопоставительную надежность энергообеспечения от различных источников
(включая зависимость от импорта, техническую надежность и т. п.);
технологические и организационные возможности;
потребности в дополнительных ресурсах;
взаимосвязь с транспортной инфраструктурой;
влияние инерционности развития топливно-энергетического комплекса
с точки зрения внедрения новых технологий;
воздействие на промышленность, призванную производить оборудование
и изделия для НВИЭ (в том числе использование уже производимого оборудова-
ния или замещение его производства новыми изделиями);
потребность в трудовых ресурсах (квалификация, новые профессии, заня-
тость), включая потребности в трудовых ресурсах для проектирования, монтажа
и эксплуатации;
приемлемость с точки зрения экологических критериев, при этом нужно при-
нимать во внимание затраты на нормируемые природоохранные мероприятия
с экстраполяцией их на прогнозируемый период;
инвестиционные возможности и влияние потребностей в инвестициях на весь
народнохозяйственный комплекс;
социальный эффект и социальную приемлемость, в том числе высвобождение
свободного времени населения в связи с экономией топлива и сокращением уси-
лий по заготовке или закупке топлива;
учет проблем землепользования и водопользования;
экономическую эффективность в стоимостном выражении;
экспортные возможности для установок и изделий, потребности в импорте
и возможности научно-технической и хозяйственной кооперации;
сопутствующие и способствующие меры, основные из которых — меры по
энергосбережению;
базовые показатели.
Целесообразно установить три вида показателей:
единичные, характеризующие одно из свойств (преимуществ, недостатков
применения НВИЭ);
комплексные показатели, характеризующие несколько или большинство по-
казателей (свойств) НВИЭ;
интегральный показатель, характеризующий всю совокупность комплекса
показателей в соединении с данными экспертной оценки.
Это общий принцип подхода, который позволяет делать оценку целесообраз-
ности применения какого-либо вида НВИЭ, сочетания нх друг с другом или
с традиционными источниками.
В частном случае при сравнении солнечных установок теплоснабжения с тра-
диционными можно утверждать, что первые конкурентоспособны в том случае,
когда стоимость солнечной установки, отнесенная к 1 м1 2 солнечного коллектора,
не должна превышать стоимости замещаемого топлива, приведенного к 1 т ус-
ловного топлива '. В ряде случаев при использовании НВИЭ для их оценки мо
1 «Методические рекомендации по технико-экономической оценке технических решений гелио
систем для объектов жилищно-гражданского назначения», разработаны Госгражданстроем в 1983 г.
368
гут быть использованы не стоимостные, а иного характера сравнения и пока-
затели.
Объем специальной и популярной литературы по проблемам использования
НВИЭ постоянно растет. В строительных нормах и правилах, в правилах регули-
рования содержания зданий в целом ряде стран нашли отражение необходи-
мость или возможность применения НВИЭ для покрытия энергетических потреб-
ностей.
Европейская экономическая комиссия ООН издала в 1985 г. перечень «Экс-
периментальные и показательные проекты по экономии энергии в населенных
пунктах», составленный Комитетом ЕЭК по жилищному вопросу, строительству
и градостроительству. Перечень состоит из информационных, согласованных по
форме формуляров по таким проектам.
Комитет ЕЭК исходит из того, что в среднем около 40% всей производимой
в странах региона энергии потребляется населенными пунктами, а рационализа-
ция энергопотребления в застроенной среде в сочетании с использованием
НВИЭ позволяет снизить потребности в энергии на эти цели до 50%. В перечне
даны описания экспериментальных, показательных и сравнительных реальных
проектов, большинство из которых уже выполнено в натуре. Это индивидуаль-
ные и многоквартирные жилые дома, общественные, торговые и административ-
ные здания, поселки и районы городов с различными планировочными и архи-
тектурно-инженерными решениями, обеспечивающими экономию энергии.
В большинстве проектов, выполненных на основе фундаментальных исследова-
ний, применяются (вплоть до средних районов Финляндии и Норвегии) системы
пассивного и активного использования солнечной энергии, тепловые насосы, си-
стемы рекуперации теплоты, тепловые аккумуляторы, геотермальное и гидротер-
мальное теплоснабжение наряду с усиленной теплоизоляцией зданий, совершен-
ствованием внутренних инженерных систем, использованием районных систем
отопления и др. Перечень не содержит какого-либо обобщения или сравнитель-
ных рекомендаций, но представляет заинтересованным лицам и организациям
широкие возможности выбора и сравнения, дает общие показатели энергетиче-
ской и экономической эффективности, раскрывает географические, финансовые
и другие условия и особенности строительства. В целом это достаточно большой
перечень энергоэффективных зданий с обеспечением современных стандартов
комфорта, которые могут быть рекомендованы к тиражированию.
Аналогичные перечни экспериментальных или даже типовых технических ре-
шений элементов или целых зданий изданы и постоянно пополняются во многих
странах, в том числе и в СССР.
Масштабы тиражирования неодинаковы в различных странах, что зависит,
в первую очередь, от собственного обеспечения энергоресурсами, от необходи-
мости снизить бремя нефтяного импорта и ряда других факторов, включая тех-
нологическую отработанность установок.
Разработаны и достаточно широко применяются в жилищно-гражданском
строительстве программы для машинных расчетов и оптимизации гелиосистем
горячего водоснабжения. Их распространяет фонд алгоритмов и программ Гос-
гражданстроя и КиевЗНИИЭП.
Все сказанное выше относится к проблемам и трудностям сегодняшнего дня.
Авторы и составители данного совместного издания поставили перед собой зада-
чу представить читателям не только результаты и оценку выполненных на прак-
тике изысканий в области применения НВИЭ, но и предварительно дать возмож-
ный анализ и показать пути развития этого интересного и очень перспективного
направления в энергетике на ближайшее будущее и отдаленную перспективу.
Э. В. Сарнацкий
369
ПРИЛОЖЕНИЕ. ТЕРМИНОЛОГИЯ ПО СОЛНЕЧНОМУ
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЮ
I. Солнечный коллектор
Солнечный коллектор — устройство для улавливания солнечной радиации и преобразования
ее в тепловую и другие виды энергии.
Поглощающий элемент — основной элемент солнечного коллектора, где происходит погло-
щение солнечной радиации и преобразование ее в другие виды энергии.
Прозрачная изоляция (прозрачное покрытие, система прозрачных покрытий) — покрытие
или система покрытий, расположенных над поглощающим элементом, прозрачных относительно
солнечного излучения и предназначенных для снижения тепловых потерь в окружающую среду.
Часовая (суточная, месячная, годовая) теплопроизводительность солнечного коллектора—
количество тепловой энергии, отводимой от коллектора за 1 ч (сутки, месяц и т. д.) работы.
Нефокусирующий солнечный коллектор — солнечный коллектор, в котором поверхность, вос-
принимающая солнечное излучение, является одновременно поглощающей поверхностью.
Плоский солнечный коллектор — нефокусирующий солнечный коллектор с поглощающим эле-
ментом плоской конфигурации (типа «труба в листе», только из труб и т. п.) и плоской прозрачной
изоляцией.
Площадь тепловоспринимающей поверхности — площадь поверхности поглощающего эле-
мента, освещенная солнцем в условиях нормального падения лучей.
Общий (равноценно: полный) коэффициент тепловых потерь коллектора — поток теплоты
от коллектора в окружающую среду, отнесенный к единице площади тепловоспринимающей по-
верхности, при разности средних температур поглощающего элемента и наружного воздуха 1°С.
Коэффициент тепловых потерь через прозрачную изоляцию (днище, боковые стенки коллекто-
ра) — поток теплоты в окружающую среду через прозрачную изоляцию (днище, боковые стенки
коллектора), отнесенный к единице площади тепловоспринимающей поверхности, при разности
средних температур поглощающего элемента и наружного воздуха 1°С.
Удельный расход теплоносителя в плоском солнечном коллекторе — расход теплоносителя
в коллекторе, отнесенный к единице площади тепловоспринимающей поверхности.
Оптический к. п. д. коллектора — произведение пропускательной способности прозрачной
относительно солнечного излучения изоляции на поглощательную способность поглощающего эле-
мента в условиях нормального падения лучей.
Приведенный оптический к. п. д. коллектора — оптический к. п. д. коллектора, вычисленный
с учетом многократного отражения лучей от поглощающего элемента к прозрачной изоляции.
Коэффициент эффективности — величина, характеризующая эффективность переноса теплоты
от поверхности поглощающего элемента к теплоносителю и равная отношению фактической тепло-
производительности коллектора к теплопроизводительности при условии, что все термические со-
противления передачи теплоты от поверхности поглощающего элемента к теплоносителю рав-
ны нулю.
Коэффициент отвода теплоты из коллектора — отношение фактической теплопроизводительно-
сти коллектора к теплопроизводительности при условии, что температура всей поверхности погло-
щающего элемента равна температуре теплоносителя на входе в коллектор.
Концентратор (равноценно: концентрирующая система) — совокупность зеркальных или лин-
зовых элементов, обеспечивающих повышение поверхностной плотности потока излучения на
поглощающем элементе.
Фокусирующий солнечный коллектор — солнечный коллектор с концентратором.
Энергетический коэффициент концентрации (равноценно: степень концентрации) — отношение
поверхностной плотности потока излучения на поглощающем элементе к плотности потока прямой
солнечной радиации.
Коэффициент улавливания — доля отраженного концентратором лучистого потока, улавливае-
мого поглощающим элементом.
Солнечный водонагреватель — солнечный коллектор с водой в качестве теплоносителя при
температуре, не превышающей температуру насыщения.
Солнечный воздухонагреватель — солнечный коллектор с воздухом в качестве теплоносителя.
Трубчатый вакуумированный коллектор — солнечный коллектор, поглощающий элемент кото-
370
рого находится в вакуумированном пространстве, ограниченном трубчатой прозрачной изоляцией.
Коэффициент полезного действия (равноценно: эффективность) солнечного коллектора — от-
ношение теплопроизводительиости к приходу за тот же период суммарной солнечной радиации
на облучаемую поверхность коллектора.
Равновесная температура — температура поверхности поглощающего элемента в квазистацио-
нарных условиях при отсутствии циркуляции теплоносителя через солнечный коллектор.
Поглощательная способность поверхности относительно солнечного (инфракрасного, види-
мого) излучения — поглощенная поверхностью доля солнечного (инфракрасного, видимого) из-
лучения, падающего на эту поверхность.
Отражательная способность поверхности относительно солнечного (инфракрасного, видимого)
излучения — отраженная поверхностью доля солнечного (инфракрасного, видимого) излучения,
падающего на эту поверхность.
Степень черноты поверхности — отношение интенсивности излучения поверхности к интенсив-
ности излучения черного тела при той же температуре.
Пропускательная способность прозрачной изоляции относительно солнечного (инфракрасного,
видимого) излучения — пропускаемая прозрачной изоляцией доля солнечного (инфракрасного,
видимого) излучения, падающего на поверхность прозрачной изоляции.
Черное покрытие (равноценно: черная поверхность) — покрытие поглощающего элемента, ха-
рактеризующееся высокой поглощательной способностью относительно солнечного излучения
и высокой степенью черноты (поглощательная способность приблизительно равна степени черноты).
Селективное покрытие (равноценно: селективная поверхность) — покрытие (поверхность), ха-
рактеризующееся резко отличающимися в соседних спектральных интервалах оптическими
свойствами.
Поглощающее селективное покрытие (равноценно: поверхность) — покрытие поглощающего
элемента, поглощающее в области солнечного спектра и отражающее в области собственного теп-
лового излучения; характеризуется высокой поглощательной способностью относительно сол-
нечного излучения и низкой степенью черноты при рабочих температурах.
Излучающее селективное покрытие (равноценно: поверхность) — покрытие, отражающее в об-
ласти солнечного спектра и поглощающее в области собственного теплового излучения; характе-
ризуется низкой поглощательной способностью относительно солнечного излучения и высокой сте-
пенью черноты при рабочих температурах.
Прозрачное теплоотражающее селективное покрытие— покрытие прозрачной изоляции, про-
зрачное в области солнечного спектра и отражающее в области инфракрасного излучения; харак-
теризуется высокой пропускательной способностью относительно солнечного излучения и низкой
степенью черноты при рабочих температурах.
Идеальное селективное покрытие (равноценно: поверхность) — покрытие, у которого спектраль-
ные оптические характеристики при некоторой длине волны скачком изменяют свое значение от 1
до 0 или от 0 до 1.
Пороговая длина волны — длина волны, при которой происходит скачкообразное изменение
значений спектральных оптических характеристик селективного покрытия от 1 до 0 или от 0 до 1.
Показатель селективности (равноценно: степень селективности) — отношение поглощательной
способности селективного покрытия в спектре солнечного излучения к степени его черноты при рабо-
чей температуре.
II. Система солнечного теплоснабжения
Солнечное горячее водоснабжение — обеспечение горячей водой коммунально-бытовых и тех-
нологических потребителей с использованием солнечной энергии.
Солнечное отопление — отопление жилых, общественных и производственных зданий с исполь-
зованием солнечной энергии.
Солнечное теплоснабжение — отопление, горячее водоснабжение н обеспечение технологиче-
ских нужд коммунально-бытовых и промышленных объектов с использованием солнечной энергии.
Солнечное тепло- и холодоснабжение — отопление, горячее водоснабжение и кондиционирова-
ние воздуха с использованием солнечной энергии.
Гелиотехническое оборудование — оборудование (солнечные коллекторы, механизмы слежения,
371
оптические экраны оконных проемов, датчики и т. п.) для преобразования солнечной радиации
в тепловую и другие виды энергии.
Активная система солнечного теплоснабжения (горячего водоснабжения, отопления, обеспече-
ния технологических нужд) — система, содержащая гелиотехническое и обычное теплотехническое
оборудование и предназначенная для обеспечения теплоснабжения (горячего водоснабжения,
отопления, технологических нужд).
Пассивная система солнечного отопления — система отопления, основанная на применении
архитектурных и конструктивных решений для повышения степени использования солнечной радиа-
ции и (или) снижения тепловых потерь здания без применения гелиотехнического оборудования.
Источник дополнительной энергии (равноценно: дублирующий источник энергии) — тради-
ционный источник теплоты (котел, печь, электронагреватель и т. п.), используемый в системе сол-
нечного теплоснабжения при нехватке солнечной теплоты для обеспечения тепловой нагрузки.
Одноконтурная система солнечного теплоснабжения — система, в которой теплоноситель (вода
или воздух), нагретый в солнечном коллекторе, поступает к потребителю непосредственно или
через аккумулятор.
Двухконтурная система солнечного теплоснабжения — система, в которой теплота, отводимая
из солнечного коллектора, передается в теплообменнике теплоносителю, поступающему к потре-
бителю непосредственно или через аккумулятор.
Часовая (суточная, месячная, годовая) теплопроизводительность системы солнечного тепло-
снабжения — количество солнечной тепоты, отдаваемой потребителю системой солнечного тепло-
снабжения за 1 ч (сутки, месяц, год).
Удельная теплопроизводительность системы солнечного теплоснабжения (с плоскими солнеч-
ными коллекторами) — теплопроизводительность, отнесенная к единице площади тепловосприии-
мающей поверхности.
Месячный (годовой) коэффициент замещения тепловой нагрузки — доля месячной (годовой)
тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии.
Термосифонная система отвода теплоты из солнечного коллектора — система, в которой
отвод теплоты из солнечного коллектора осуществляется путем естественной циркуляции теп-
лоносителя.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение . ............................... . 5
1. Эффективные возобновляемые источники энергии . 12
1.1. Солнечная энергия . 12
1.2. Энергия ветра .... ... 38
1.3. Геотермальная и гидротермальная энергия 42
1.4. Энергия тепловых выбросов. ..... 46
>.5. Биотехнологические основы конверсии солнечной энергии . 49
Список литературы................................................................ 58
2. Общие принципы и архитектурно-строительные приемы проектирования энергоактивных
зданий ... ...... ............ .... 59
2.1. Архитектурно-строительные приемы повышения энергетической экономичности зданий 59
2.2. Архитектурно-строительные приемы разработки гелиоэнергоактнвных зданий . 63
2.3. Ветроэнергоактивные здания как направление в архитектурном и инженерном проекти-
ровании (принципы подхода) . . . . . . ... ... 69
2.4. Архитектурные и конструктивные приемы проектирования зданий с использованием гид-
ротермальной и геотермальной энергии ..... . . . . 73
2.5. Экспериментальные приемы разработки биоэнергоактивных зданий и сооружений . 81
Список литературы . . . ......... 90
3. Селективные системы сбора и преобразования солнечной энергии. Конструкции и форми-
рование энергетических объектов . . ... 90
3.1. Физико-математическая характеристика селективных систем сбора солнечной энергии.
Фокусирующие солнечные коллекторы . . . .... 90
3.2. Солнечные фотоэлектрические станции и солнцезащитные сооружения . . 108
Список литературы . . .... .................... . . 146
4. Конструирование и расчет тепловых систем солнечных энергоактивных зданий . 147
4.1. Задачи создания зданий с эффективным использованием энергии . 147
4.2. Системы солнечного отопления и горячего водоснабжения ............ . 150
4.3. Единый метод термодинамического и физико-математического описания и расчета про-
цесса тепломассообмена в элементах гелиосистем . . ... . 161
4.4. Основы построения теории эффективности и надежности систем кондиционирования
микроклимата . . . . . . . . .............. . . 166
4.5. Расчет и обобщение тепловых характеристик систем солнечного теплоснабжения зданий
для южных районов СССР . 169
Список литературы . . 173
5. Архитектура эиергоактивиых промышленных зданий и комплексов . 174
5.1. Архитектурные и энергетические начала разработки многофункциональных гелио-
комплексов . . . ... ... 174
5.2. Комплексное решение задач при проектировании многофункционального гелиокомплекса
«Сатурн» ......... 176
5.3. Различные архитектурные композиции многофункциональных гелиокомплексов . . 182
5.4. Основные составляющие архитектурного проектирования научно-производственных
гелиокомплексов ..... . 189
5.5. Универсальная система солнцезащитного экранирования . . .... 203
5.6. Примеры решения различных типов энергоактивных зданий в гелиокомплексах . 207
5.7. Многофункциональные гидрогелиокомплексы ... 212
5.8. Проектирование и строительство гелиокомплекса «Солнце» . . . 213
5.9. Архитектурная разработка энергоактивных промышленных зданий................ 221
5.10. Комплексный подход к архитектурному проектированию солнечных энергетических
станций........................................................................ 229
373
5.11. Экономия энергии в зданиях, перекрытых пространственными конструкциями . 238
Список литературы ... ............ ........ ..........243
6. Опыт разработки и строительства гелиоэнергоактивных объектов в СССР . 244
6.1. «Солнечные» дома Института высоких температур Академии наук СССР. Полигон
«Солнце» . . . . . ............ . 244
6.2. Энергоактивный комплекс сооружений Крымской экспериментальной базы по использо-
ванию солнечной энергии ЭНИН им. Г. М. Кржижановского . 249
6.3. Аккумулирование солнечной энергии для систем отопления в горных районах тропиков . 256
Список литературы . . ...................... ... 264
7. Зарубежный опыт разработки солнечных эиергоактивных зданий..................264
7.1. Технико-экономические обоснования строительства энергоактивных зданий в НРБ.
Перевод с болгарского Р. Ф. Залялова . 264
Список литературы . ....................... . . .... 275
7.2. Пассивные методы использования солнечной энергии. Перевод с английского И. И. Спи-
ридоновой . 276
Список литературы . . . 305
7.3. Биоклиматическая архитектура. Перевод с английского И. И. Спиридоновой . . 305
7.4. Солнечное отопление и кондиционирование воздуха в зданиях в США. Перевод с англий-
ского И. И. Спиридоновой . . .... . . . . 315
8. Автоматизация управления работой энергетических систем зданий . 326
8.1. Современное состояние и задачи управления работой энергетических систем зданий . 326
8.2. Структура и функционирование САУ «Контур» . . 330
9. Гидротермальные коллекторы энергоактивных зданий . 338
9.1. Общие сведения. . 338
9.2. Гидротермальные коллекторы систем защиты зданий от перегрева . 339
9.3. Гидротермальные коллекторы в системе обогрева помещений . 343
10. Экологическая оценка проектов энергоактивных зданий........................ 347
10.1 Актуальные задачи и цели экологического анализа проектов энергоактивных зданий . 347
10.2. Экологические требования к энергетическим системам зданий . 350
10.3. Экологическая характеристика традиционных энергетических систем зданий . 354
10.4. Экологическая характеристика нетрадиционных энергетических систем зданий . 361
10.5. Экологические показатели и критерии проектирования энергоактивных зданий . 365
Послесловие . 366
Приложение. Терминология по солнечному теплоснабжению...........................370
Научное издание
Редакционно-издательская группа:
В. А. Касаткин (руководитель), М. В. Перевалюк,
Р. Л. Рощина, Т. В. Рютина. И. Ш. Чибисова.
Николай Павлович Селиванов,
Аркадий Иванович Мелуа,
С. В. Зоколей и др.
ЭНЕРГОАКТИВНЫЕ ЗДАНИЯ
Редакция переводных изданий
Зав. редакцией Р. Л. Рощина
Редакторы Г. В. Рютина, Г В. Беляева
Младший редактор С. В Петрашова
Технический редактор В. Г Калинина
Корректор Г С. Беляева
И Б № 3683
Сдано в набор 17.06.86 Подписано в печать 29.07.88. Т-12066
Формат 70Х lOO'/ic р. л. Бумага офсетная № 1. Гарнитура
«Литературная». Печать офсетная. Усл. печ. л. 30,31.
Усл. кр.-отт. 30,31. Уч-изд. л. 34,33. Тираж 10 000 экз.
Изд. № A-VIIII595. Зак. № 123. Цена 5 р. $0 к.
Стройиздат, 101442. Москва. Кал невская. 23 а.
Фабрика «Детская книга» № 2 Росглавполиграфпрома Го-
сударственного комитета РСФСР по делам издательств,
полиграфии н книжной торговли 193036. Ленинград,
2-я Советская, 7.
Отпечатано с готовых пленок в Московской типографии № 4
Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
129041, Москва. Б. Переяславская ул., д. 46
Зак. 1513